
波音 N+2 方案就是基于 X48,注意有双发喷气和三发开放转子方案

这是双发喷气的修改方案,注意翼尖的后掠小翼

这是一个艺术家的想象,还是未来的现实?
飞翼的纵长相对较短,俯仰控制力矩随之较短,大大增加稳定的俯仰飞控的难度。除了德国霍顿兄弟的开创性工作外,诺岁罗普是飞翼的先驱了,还在 40 年代试飞过飞翼,但一直到数字电传飞控的出现,实用的飞翼才成为现实,这就是 B-2。不过民航客机的安全要求很高,本质上不容易做到自然稳定的飞翼要通过民航客机所需的严格安全认证,还有不少关口要过。
飞翼的另一个难题是旅客上下飞机和紧急疏散的问题。圆筒形的机体或许结构效率不高,但旅客上下飞机很方便,世界各地机场也有一整套现成的登机设备。但飞翼没有明显的适合设置登机门的位置,即使在肥厚的前缘选定一个位置开登机门,机内相当于一个大厅,而不是圆筒形机体的走长廊,旅客进出的人流路线容易混乱。这还不是最大的问题,紧急疏散时,飞翼内的人流组织远比圆筒形机体要复杂。现有研究都表明,一旦发生紧急情况,飞翼客机很难在 FAA 规定的疏散时间内保证所有旅客安全逃生。不算这些问题的话,还有旅客的舒适问题。飞翼内部或许空间宽大,但只有飞翼前缘的旅客有机窗,大部分旅客将远离机窗。看电视、打游戏能解决一些问题,但幽闭的感觉没法根本解决,长途飞行的问题更大。当然,这些问题对货运飞机来说无关紧要。

波音 BWB 客机的内部布置
由于这些问题,波音的翼身融合体方案(简称 BWB)试图结合飞翼和常规机体-机翼的优点,用近似飞翼的气动外形保持飞翼的优点,但机舱是极大加宽的肥厚扁圆,而不是像理想飞翼一样差不多延伸到整个翼展,机翼也没有飞翼那么肥厚。扁平宽大的尾部上方有一对外倾的双垂尾,双垂尾之间是两台普拉特惠特尼和罗尔斯 罗伊斯合作的齿轮传动涡扇(简称 GTF)发动机。喷气发动机的推力来自于喷气的质量流量,而不是喷气的速度或者温度。涡扇发动机的涵道比(风扇的外涵道和核心发动机的内涵道的流量之比,也称流量比或旁通比)基本上等同于外涵道和内涵道产生的推力之比。显然,用转速较低的风扇产生更大的升力有利于降噪、节油。但常规的双转子涡扇的低压涡轮同时驱动低压压气机和风扇,不可避免地要在两者的工作要求之间折衷,而不能使两者都达到最优。罗尔斯罗伊斯的拿手好戏是 三转子,低压压气机和风扇不再共用低压涡轮,提高了发动机的热效率,但机械结构因此大大复杂,在重量和可靠性上都要付出代价。普拉特惠特尼采用齿轮减速, 使双转子涡扇达到三转子的效果,但在机械结构上相对简洁、干净。现在罗尔斯罗伊斯和普拉特惠特尼合作,进一步增加了 GTF 的吸引力。

齿轮传动涡扇示意图,“2”为行星齿轮减速装置
GTF 可以达到节油 52%的效果,十分可观。但另一个发动机技术可以达到更高的节油效果,这就是浆扇发动机,也称开放转子发动机。既然提高涵道比可以节油,使涵道比达到无穷大岂不可以达到最低油耗?这就是涡浆发动机,螺旋桨相当于没有围箍的风扇,在支线客机和轻型飞机上得到广泛应用。不过涡浆的问题有两 个:1、速度无法提高;2、噪声很大。螺旋桨的叶尖速度不能超过音速,迎风面积也限制了飞行速度,所以不适合高亚音速巡航的远程客机。没有屏蔽的叶尖产生的噪声强大到可以造成机体结构疲劳,所以大功率的涡浆客机很难不扰民。浆扇降低螺旋桨的出力,部分推力回到由核心发动机产生,螺旋桨桨叶采用后掠的弯刀形,推迟激波的产生,前后不同桨叶数的反转螺旋桨改变噪声特征,降低感受到的主观噪声水平。但浆扇的噪声依然很高。波音 BWB 用三台浆扇取代两台 GTF 的话,油耗还可以进一步降低,但噪声要高 8 分贝,方案被放弃了。GTF 方案也没有达标,只达到降噪 34 分贝。波音 BWB 的发动机下方有扁平宽大的后机身屏蔽,两侧有双垂尾屏蔽,加上采用低噪音的 GTF,依然没有达到 NASA 的 N+2 降噪标准,可见降噪之难。

罗尔斯·罗伊斯“开放转子”是另一个有望大幅度降低油耗的新型涡扇

“开放转子”的桨扇也可是前置
波音声称可以通过进一步优化,最终达到 42 分贝的降噪要求。发动机和气动布局上的文章做完了,接下来只有从细节入手,其中最主要的是起落架和襟翼。传统 上,起落架的设计要求只有轻巧、坚固、可靠,但基本上没有什么气动上的考虑。在下滑过程中打开的起落架引起很大阻力和噪声,需要采用整流罩降低风阻,才能降低噪声。另一个噪声来源是襟翼。襟翼是常见的增升装置,但打开的襟翼极大地改变了气流的流动,开缝襟翼的噪声尤其严重,这是另一个降噪的着力点。

起落架整流罩设计也可降低噪音
波音和 NASA 合作研制 X-48 在 2007 年7 月 20 日首飞,已经积累了相当的数据,波音也因此在竞赛中领先一步。波音的 ERA 技术验证机原计划 2017 年总装,这是一架 65% 尺寸的研究机,翼展 45.4 米,机长 25.3 米,机高 6.4 米,采用两台推力为 106.8 千牛的普拉特惠特尼 PW1000G 齿轮传 动涡扇发动机、现有飞机上的起落架和公务飞机的座舱系统。最初机翼不采用层流技术,但技术上留有余地,方便以后改装。

波音的 ERA 技术验证机
波音团队包括普拉特惠特尼、罗尔斯罗伊斯、麻省理工学院、克兰菲尔德大学,诺斯罗普团队则包括罗尔斯罗伊斯、韦尔实验室和依阿华大学。诺斯罗普似乎不怕忌讳,对飞翼用于民航客机充满信心。诺斯罗普的 ERA 方案几乎是 B-2 轰炸机放大的民航客机版。和波音 ERA 相比,诺斯罗普 ERA 的中央部分同样明显肥厚,但机翼机体浑然一体,没有明显的机舱和向前探出的机头和驾驶舱,更接近理想飞翼。由于发动机深埋在飞翼之内,从机翼前后缘退后的进气口和喷口有效地用机体屏蔽了噪声,喷气从扁平的喷口通过宽而浅的“壕沟”喷入空中,强化和环境空气的混合,有利于进一步降噪。降噪成为诺斯罗普 ERA 最显著的优点,达到 74.7 分贝。这应该不奇怪,B-2 就是以安静著称的。诺斯罗普 ERA 方案采用无垂尾设计,降低阻力。由于飞翼尺寸紧凑,没有机体则避免了机体-机翼的不利气动交互作用,使飞翼更加接近理想机翼,升阻比有所改善,发动机推力要求相应降低,减排达到 88%。节油成果更是令人刮目相看,比 1998 年基准技术水平低41.5%,没有达到 N+2 要求的50%。诺斯罗普声称,20% 的节油来自于发动机,后掠的层流飞翼提供了另外 8.3%。
