“游俠”帶火翼身融合

劉振敏

由于受到新冠肺炎疫情的影響，全球四大航展之一的2020年新加坡航展顯得有些冷清，但空客憑借一款頗具科幻感的“游俠”驗證機讓業界似乎又看到了未來商用飛機的樣子。一時間，關于翼身融合技術的探討又熱鬧了起來。

技術探索成果豐盛

近30年來，氣動布局技術研究一直極為活躍，各種新概念氣動布局大量涌現，并全面推動著商用飛機技術的發展和進步。目前，業界主要聚焦于翼身融合（BWB）、雙氣泡機身、桁架支撐翼、連接翼等幾種新概念布局，并陸續進入技術驗證階段。因此，預計2030年前后，商用飛機將迎來新的技術跨越，新布局的亞聲速飛機或將問世。

在所有的新概念氣動布局中，翼身融合構型最為業界看好。所謂翼身融合布局是指機翼和機身高度融合的全升力面飛機外形。在相同裝載要求下，翼身融合設計能夠降低全機浸潤面積，從而減小摩擦阻力，與傳統的“筒狀機身+機翼”布局相比，翼身融合布局的飛機巡航效率可提高15%～20%（相對于787和A350），并具有降低噪聲、排放和結構重量等潛力。

對于翼身融合布局的設想，最早是由麥道公司在1988年提出的，隨后歐美很多企業和研究機構都進行了相關的研究，但大部分成果被主要應用于軍用航空產品，例如美國的B2轟炸機就是一款典型的翼身融合布局的飛機。

相比之下，在商用飛機領域，翼身融合技術的發展較為緩慢。當然，這似乎也無可厚非。盡管翼身融合技術有很多優點，但是對于商用飛機來說，采用這一設計需要解決很多問題。

首當其沖的就是安全問題，相比現在的飛機布局，飛行員操控翼身融合設計的飛機將面臨巨大的挑戰，無論是飛控系統還是駕駛模式，都必須加以調整。

其次，民航飛機都為增壓機艙，相比現在的圓筒式機身分散壓力，翼身融合概念還要解決結構強度的問題，以規避飛行過程中發生解體的風險。

第三，全新的設計對于現有的民航安全法規也提出了新的挑戰。如何保證采用翼身融合技術的飛機滿足適航要求，可能要比技術研發本身難得多。

盡管需要解決的問題還很多，但是這并不能阻擋制造商和科研機構的研發熱情。尤其是，近年來隨著人們環保意識的提高以及業界越來越苛刻的碳排放要求，飛機制造商們正在重新審視商用飛機的設計。為了制造更環保的客機，無論是制造企業還是科研機構都認為，翼身融合布局不失為一個極具潛力和可行性的選擇。

2019年，荷蘭皇家航空公司（KLM）就表示已與代爾夫特理工大學合作開發“Flying-V”翼身融合體飛機。幾年前，NASA也提出了N3-X概念，探索BWB布局全渦輪電分布式推進系統帶來的收益。此外，NASA也正在著手采用BWB布局來設計生產下一代亞聲速X驗證機。

在我國，航空科技工作者早已關注到了這一重要發展趨勢，從2000年初就開展了關于BWB布局的商用飛機的探索，中國商飛、中航工業、西工大、北航等企業和高校都開展了大量的研究，在BWB布局氣動性能、結構設計、飛控、適航等方面獲得了許多成果。其中，西工大團隊為發展下一代寬體民機開展了BWB布局概念探索，提出了先進的BWB布局設計思想，形成了有工程應用前景的方案并進行了試驗驗證，探索解決高速飛行與低速起降性能協調、客艙舒適性與應急疏散兼容、增升與配平能力匹配等核心技術難題。

如今，隨著BWB布局的不斷發展，一些關鍵技術基本明確并取得重大研究成果，應用對象也隨之清晰。最新研究表明，未來BWB布局應用或將不再局限于250座級以上的大型商用飛機，還可擴展到100～150座級的單通道客機和高端公務機領域。

“游俠”現身吸眼球

在此次新加坡航展上，空客向公眾展示的“游俠”驗證機項目（MAVERIC，用于試驗和驗證魯棒創新控制的飛機模型），機身長2米，寬3.2米，表面積約2.25平方米，布局設計極具顛覆性。空客方面表示，采用該設計的飛機與現有的單通道飛機相比，預計燃油消耗可降低20%。

MAVERIC是空客內部的保密項目，2017年啟動，2019年6月在法國中部完成首飛，空客重點探索了BWB飛機所需的先進電傳操縱技術。此后，飛行測試活動一直在進行，并將持續到2020年第二季度末。

在首飛之前，此款驗證機還在空客位于英國菲爾頓的基地進行了相關的風洞試驗，驗證了MAVERIC驗證機的氣動特性，這將有助于更好地識別和分析關鍵技術，評估飛機低速和失速特性。空客表示，未來驗證機的測試還將繼續圍繞飛行品質、飛行控制、多目標操縱面和模塊化等方面進行。

盡管對于“游俠”驗證機，空客方面并沒有透露太多的技術信息，但是從已經公開亮相的驗證機外形中似乎也能看出一些門道。

MAVERIC驗證機寬敞的布局為設計師打開了更為廣闊的設計空間，可以集成各種類型的推進系統。與波音X-48C相似，該機采用了背負式發動機和雙垂尾，機身對發動機噪聲向下方傳播有一定的遮蔽作用，雙垂尾則提高了飛機航向穩定和控制能力。與X-48C不同的是，該機發動機安裝在垂尾底部，這樣可能有利于減小垂尾面積，但對側向噪聲的屏蔽作用會有所減弱，同時還會因發動機和垂尾結構的連接而使得重量和復雜度增加。

乘客體驗方面，從空客公布的客艙圖可見，如果未來商用飛機采用這種客艙布局的話，則完全打破了傳統單通道飛機乘坐體驗，乘客能夠享受更大的腿部空間和更寬敞的過道，同時客艙的布局也充滿了科技感。

當然，也有業內人士指出，如果只是把旅客集中在翼身融合飛機的中間部分，那么剩下的一些空間該如何合理使用將是一個需要進一步探索的問題，否則所謂的提高飛行效率的優勢或將不復存在，畢竟這樣的布局對于航空公司來說，如何增加座位數將成為一個難題。

技術挑戰還很多

盡管空客此次展示的驗證機十分炫目，并且也沒有人會質疑翼身融合布局的飛機在燃油消耗、排放及噪聲等方面的優勢及廣闊的應用前景，但在真正投入工業應用之前，仍有多個專業技術領域面臨挑戰，多項技術瓶頸仍有待突破，尤其在總體和氣動設計技術方面需要解決的技術難題還很多。

從業內已經公開的翼身融合布局中不難發現，由于中機身較短，縱向配平能力有限，加之噪聲排放標準的提高，限制了高增升系統（如傳統多段增升裝置）的使用，上述兩種因素的共同影響導致現有多種翼身融合布局的飛機幾乎都難以滿足下一代商用飛機對于起降性能指標的要求。

為此，2017年波音和NASA在重啟X-48C驗證機項目時，將BWB構型飛機的短距起降問題列為首要解決的問題之一，這從一個側面反映出翼身融合構型飛機起降問題的復雜性和高難度。從現有技術來看，要解決這一問題不僅需要發展高效增升、小低頭力矩、低噪聲的新型增升裝置，更需要在氣動布局方面尋求更大的突破。

其次，高度融合的寬短中機身帶來安全性與適航性挑戰。翼身融合布局由于中機身寬短，其安全性和適航性問題一直備受關注。現有300以上座級翼身融合方案在機身兩側可布置6個艙門，為滿足適航應急疏散要求，需要在機身后體下表面再布置艙門，但該位置的應急出口存在機腹著地迫降狀態下無法使用的風險。此外，寬而短的客艙使每排座位較多，這使外側乘客在飛機滾轉和偏航飛行時承受較大過載，且中間乘客距懸窗較遠。

第三，操穩問題使無尾布局短期難以實現。翼身融合布局縱/航向操縱能力偏低，特殊的質量分布和平面形狀又使其傾向于縱/航向不穩定，在民機安全性和飛行品質要求下，需要應用先進的增穩控制系統。為了提供適當的穩定性和足夠的增穩操縱裕度，諸多研究機構在飛機本體增穩技術和操縱舵面設計方面進行了很多探索和研究，但至今還沒有一個很好的解決方案。

在此背景下，混合翼身布局（HWB）的設想開始被付諸實踐。混合翼身布局本質上是翼身融合布局的改進和發展，是翼身融合布局走向實際應用過程中綜合設計的產物，主要面向450座級以下客機。混合翼身布局的顯著特征，或者說與翼身融合布局的差異，主要體現在中央機體加長、機翼-機身的融合過渡更快、機身寬度減小、機身輪廓更加明顯等方面。

混合翼身布局設計思想旨在通過快速融合減弱中機身和過渡段的激波強度，增大外露機翼面積和展弦比，提高整機升力面的利用率和氣動效率。收窄的中機身能夠減少每排座位數，降低外側乘客承受的過載，增加更多舷窗，縮小中間乘客距舷窗的距離，多方面提升舒適度。較長的中機身更容易沿機身布置艙門，有助于解決應急疏散問題，提高安全性。

當然，混合翼身布局同樣也有很多問題有待解決，如飛機-發動機綜合集成設計、降噪技術等諸多難題，而這些技術恰恰又都是一個精細設計、點滴積累的過程，無論是混合翼身布局還是翼身融合布局，當前已有的技術積累是遠遠不夠的，新構型要真正從紙面變為產品還有很長的路要走。