小型噴氣式飛機創新設計：更快、更遠、更節能

當今的計算機已經能夠參與大量的飛機設計工作，但是，要了解新的飛機設計在空中的實際性能，最好的辦法就是在風洞中模擬實際情況。美國國家航空航天局（NASA）的國家跨聲速風洞（NTF）是全世界數一數二的試驗設施之一。當NASA工程師不使用風洞設施進行創新設計試驗驗證時，私營企業可以向NASA支付一定的費用，用以利用這些設施的空閑時間開展試驗。

本田飛機公司在設計新型商務噴氣飛機時就是這樣做的，其首席執行官兼總裁藤野道格提到，經過“大量的流體動力學（CFD）計算研究”，該公司研究得到了新的飛機機身及其OTWEM布局（Over-the-Wing-Engine-Mount，發動機安置在主翼上方的最佳位置）。“我們發現，如果我們把發動機安置在機翼上方的某個最佳位置，就會找到一個可以減小興波阻力的最有效點。”在本田公司準備投資新的公司業務和系列產品之前，需要測試實際條件下的設計變量。“為了試驗驗證我們的設計理念，我們在世界各地尋找合適的風洞，”藤野回憶道。而NASA蘭利研究中心的NTF就成了毋庸置疑的選擇。

“NTF是世界上第一個加壓風洞，目前，這種風洞全世界只有兩個。”高級技術顧問理查德·瓦爾斯（Richard Wahls）在NTF所在地向NASA先進飛行器計劃主管這樣解釋道。NTF于1983年正式投入運行，旨在幫助設計開發更大型的飛機。“20世紀60年代和70年代，在飛機試飛過程中總會有不少意外情況出現。例如，如果機翼上的沖擊波處于預料之外的不同位置，那么相應的空氣動力負載可能也會與預期不同，”瓦爾斯說道。“但到了開發過程的這個階段，你無法從頭開始，所以你必須弄清楚如何進行補救。”補救的方法往往是增大飛機的重量，其他方法無法達到最佳效果。這并不是因為沒有進行風洞試驗。實際上，設計單位都進行了風洞試驗，包括NASA。但是他們都沒有對一個重要問題進行修正：實際的飛機比試驗的飛機模型要大得多，通常達到50倍，而周圍空氣中的分子大小相同。瓦爾斯表示：“根據空氣的特征，分子間存在一定的間距，這是人眼看不到的。”而空氣以特定的方式沿飛機曲線移動。“空氣在小型模型上的行為會有所不同，因為雖然分子間距相同，但是其流經的幾何體更小。”在數學上，表示這一關系的參數稱為雷諾數。為了部分校正雷諾數的這一差異，NTF像其他一些風洞一樣，采用加壓的方式，即根據飛機的大小成比例壓縮空氣。但是，要模擬大型飛機，加壓的辦法就不足以模擬實際的飛行條件。為了實現這一點，NTF還可以在低至–250°F的溫度下泵入純氮氣，進一步提高空氣密度，以模擬飛機在高空的實際飛行條件。

NASA在許多項目中都使用了NTF，其中包括研究不同雷諾數的空氣在各種簡單幾何形狀上流動情況的基礎理論研究，通過該研究可以改進計算模型。NASA還利用NTF測試了飛機設計方面的創新，其中一些創新設計（比如小翼）已成為現代噴氣式飛機的標準配置。如今，NASA使用NTF來測試先進的飛機設計理念，比如混合翼身，一種扁平的三角形設計，有朝一日其可能取代今天已為人熟知的飛機外形（管狀機身及突出的機翼）。

當NASA不需要使用NTF時，私營企業也可以使用該設施。NASA和這些公司可以簽訂合作合同，分擔成本費用并分享得到的試驗數據，也可以簽訂完全償付合同，由私營企業自行承擔使用風洞的費用，并對其數據保留全部權利。瓦爾斯提到，本田飛機公司當時談的是第二種合同。藤野和他的團隊已經完成了他們飛機的大部分設計工作，但需要做最終試驗。“要同時實現高雷諾數和高馬赫數的試驗條件，NASA是提供這種試驗條件的不二選擇。”藤田回憶道，“而且NASA的風洞為我們提供了極高精度的試驗結果，因為其儀器能夠完成非常復雜的制表和數據采集工作。”

該團隊先期就與NASA的風洞專家展開合作，以確保他們的模型（全尺寸噴氣式飛機大小的10%）設計合理，可以承受高速試驗，并可與所有儀器連接。之后，他們進行了為期一周的試驗，“通過NASA非常高效的試驗過程，我們取得了大量數據。”藤野說道，“通過這一試驗，可以權衡各種OTWEM布局方案，并最終選出最佳方案，而最主要的是，試驗證明了現有的設計達到了預期的效果。試驗結果證實了我的設計理念，這讓我有了更強的信心進入商業生產階段。”藤野說道，“試驗結果證明，該飛機設計不僅理論上是合理的，而且在實際上也是可行的。”繼2005年的風洞試驗之后，本田公司在北卡羅來納州的格林斯博羅成立了一家民用航空子公司，即本田飛機公司，該公司現在一共有1700名工人在從事飛機制造工作。

▲NASA正在利用NTF開展混合翼身運輸機試驗驗證。較之傳統的飛機外形，這種混合結構更加省油，且空氣動力學性能更佳。而NTF屬于加壓風洞，可以泵入純氮氣來進行加壓，這也使得該風洞能夠比其他風洞更好地模擬空中的真實情況

新型噴氣式飛機的關鍵創新之處在于OTWEM布局，它與以往的輕型噴氣式飛機有很大不同，以往的輕型噴氣式飛機通常將發動機安裝在機身即飛機的主體上。將發動機安裝在機翼上會影響空氣流動，但通過NTF試驗發現，本田公司的設計有一個“最有效點”，可以切實地減小沖擊波，從而降低阻力。正是因為這個緣故，這種名為HondaJet的輕型噴氣機在同類機型中擁有最快的巡航速度，最快達0.22km/s，飛行高度達13.11km，在同類機型中也具有最高的技術規格。這種輕型噴氣式飛機最近創下了兩項速度記錄，其一是從新澤西州泰特波羅飛往佛羅里達州勞德代爾堡，用時2小時51分，其二是從馬薩諸塞州波士頓飛往佛羅里達州棕櫚灘，用時2小時58分鐘。阻力降低的同時也提高了噴氣飛機的燃油效率，使得其運行成本也低于其他輕型噴氣飛機。據本田飛機公司估算，在飛行條件相同、操作員相同、飛行距離也相同的情況下，這種新的布局可比一般布局的飛機節省多達17%的燃料。OTWEM布局還可提高乘客的舒適度。藤野表示，由于發動機不占任何空間，客艙內的空間將會更大；再加上不會傳遞振動，從而減少了噪音。該公司主打私人飛機客戶和需要頻繁出差的小型企業主這一細分市場。該公司于2015年末開始出售噴氣機，已向南北美洲和歐洲售出超過100架飛機，起價約為500萬美元。該公司最近還將銷售范圍擴大到中美洲，同時還將目光投向了中東地區。

回到NASA蘭利研究中心，NTF還在繼續試驗航空領域的尖端技術。“你可以把它看做一種降低風險的措施”，瓦爾斯解釋道，“有人會提出想法，但你需要把紙上的想法變成現實。其中，一部分工作可以通過CFD來實現，這將耗費較長的時間，同時，您還希望能夠得到一些試驗數據。”NASA的先進設施就能夠幫助人們實現這一目標。