超音速客機氣動布局的發(fā)展

1、飛行器飛行動力學(xué)課程論文 學(xué)號：9999999992015-2016夏學(xué)期姓名：令狐烈專業(yè)：工程力學(xué)論文題目：超音速客機氣動布局概覽論文概要：超音速客機是人類一直追求的夢想，它在歷史上曾經(jīng)曇花一現(xiàn)，但很快沒落。主要原因是其可靠性、燃油經(jīng)濟性和音爆噪聲等問題沒有得到很好的解決，這些問題都與其氣動外形密切相關(guān)。近年來，隨著氣動外形的優(yōu)化，超音速客機的以上問題有望得到解決，各國又掀起了超音速客機的研制熱潮。本文簡要介紹了以往和現(xiàn)階段各國超音速客機方案的氣動外形方案。提交日期：2016年4月超音速客機氣動布局概覽令狐 烈摘要：超音速客機是人類一直追求的夢想，它在歷史上曾經(jīng)曇花一現(xiàn)，但很快沒落。主要原因

2、是其可靠性、燃油經(jīng)濟性和音爆噪聲等問題沒有得到很好的解決，這些問題都與其氣動外形密切相關(guān)。近年來，隨著氣動外形的優(yōu)化，超音速客機的以上問題有望得到解決，各國又掀起了超音速客機的研制熱潮。本文簡要介紹了以往和現(xiàn)階段各國超音速客機方案的氣動外形方案。關(guān)鍵詞： 超音速客機，氣動外形。 【1】 引言飛得更快、更高、更遠，是人類永恒的追求。20世紀(jì)50年代，隨著噴氣發(fā)動機研制成功和飛機氣動外形的優(yōu)化，人類順利地跨越了音障，超音速飛行首先在軍用飛機上實現(xiàn)1。而隨著人們生活節(jié)奏的加快，人們對于提高民用飛機飛行速度的渴望越來越強烈。20世紀(jì)60年代初，人們對超音速客機市場前景十分看好。在此背景下，英法兩國和前

3、蘇聯(lián)搶先研制出了超音速客機，引起了一時的轟動。然而好景不長，很快，超音速客機便暴露出了其潛在的問題。首先是可靠性問題：超音速飛行之下，飛機的氣動性能惡化，可操縱性變差。前蘇聯(lián)研制的超音速客機圖-144在巴黎航空博覽會結(jié)束的最后一天進行表演飛行時，就不幸發(fā)生空中解體；其次是燃油是經(jīng)濟性問題：超音速客機的耗油量過高，航程不足，載客量少，其成本遠遠高于亞音速客機；最令人頭痛的是音爆問題2。這些當(dāng)時難以克服的問題，導(dǎo)致唯一投入運營的超音速飛機英法聯(lián)合研制的“協(xié)和號”不僅運營困難，而且在某些地方還被禁止起降，加上空難頻發(fā)，最后不得不退出歷史舞臺，此后，超音速客機便沉默了。超音速飛機面臨的問題，無論是飛行

4、操縱性，可靠性，燃油經(jīng)濟性，還是最令人頭痛的音爆問題，都可以說是飛機的氣動問題。然而，人們追求超音速客機的夢想從來沒有停止過。此后人們一直在著手研究音爆問題。新型的飛機氣動布局的設(shè)計，使得音爆問題得以解決，而且氣動效率的提高，使得燃油利用率得到提高。隨著呼吁超音速飛機的東山再起的聲音的增加，近來各國又掀起了超音速客機的研制熱潮，超音速客機有望回歸。超音速客機的回歸，氣動外形的優(yōu)化顯然功不可沒。本文簡要介紹了以往和現(xiàn)階段各國超音速客機方案的氣動外形方案。第2節(jié)將會簡單概括超音速客機氣動外形的設(shè)計要求；第3節(jié)回顧第一代超音速客機的一些方案的氣動外形，主要包括協(xié)和號和前蘇聯(lián)的Tu-144；第4節(jié)介紹

5、第二代的超音速客機一些方案的氣動布局設(shè)計；第5節(jié)介紹了兩種怪異的超音速客機設(shè)計方案，以及其中一種斜置飛翼布局的優(yōu)勢，這種布局形式近些年也得到了相當(dāng)?shù)闹匾??！?】 超音速客機的氣動外形要求 超音速客機的氣動外形是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，既要兼顧到亞音速飛行特性，又要考慮超音速飛行要求。同時，又不同于軍用的超音速飛機，超音速客機還需要更多地考慮經(jīng)濟因素、環(huán)保限制和及旅客的舒適性，這又使得問題變得更加的復(fù)雜。超音速客機的氣動外形設(shè)計主要需要考慮以下幾點：1）降低激波阻力：超音速客機因為在超音速下巡航飛行，必須要經(jīng)歷跨音速階段，突破音障是超音速飛機最基本的要求。為此，超音速客機的氣動外形設(shè)計要求能夠盡量地

6、降低激波阻力，因此飛機盡量設(shè)計成流線型，機頭設(shè)計為錐型而非鈍形，以避免在跨音速階段形成波阻極大的正激波。此外飛機的機翼通常采用大后掠的三角翼，以降低臨界馬赫數(shù)，但是這樣的設(shè)計也會導(dǎo)致低速飛行性能和起降性能的惡化，需要其他方面來彌補，比如采用更大推力的發(fā)動機或者是矢量推力發(fā)動機，降落時使用減速傘減速；也有一些方案采用變后掠機翼來解決亞超飛行矛盾（如波音2707-100）。降低激波阻力的另外一種常用的方法是采用面積率，這種方法在軍用飛機上不成問題，但是在超音速客機上卻受到飛機結(jié)構(gòu)強度和客艙容積的限制。2）減小氣動熱和減少氣動中心后移：超音速飛行時，飛機機體與空氣之間進行劇烈的摩擦，產(chǎn)生大量的氣動熱

7、，氣動外形設(shè)計對于減少氣熱影響很大。為此，應(yīng)當(dāng)盡量增加飛機的流線型，設(shè)置為細長的結(jié)構(gòu)。此外，超音速飛行時，氣動中心會后移到1/2弦長處。氣動中心的這種變化，使得飛機從亞音速飛行到超音速飛行時，會由于低頭力矩過大而產(chǎn)生突然下載。為此，超音速客機主要采用了三角形機翼，其氣動力中心位于重心之后,而且在各個速度段上氣動中心移動很小。3）降低噪聲：超音速客機令人最為頭痛的音爆問題，也可以通過氣機身外形的調(diào)整來加以解決。要降低音爆的強度,使之控制在小于0.0005大氣壓，主要靠改進飛機的氣動外形3。美國國家航空航天局和康乃爾大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，可以對機身進行精細的調(diào)整，利用機身各部位產(chǎn)生的激波在相位上的差異，

8、誘使它們互相抵消，使傳遞到地面的N形波的強度減小，減低音爆的影響。降低音爆最簡單的方法就是增加機鼻長度，伸長的機鼻（飛機最前端的部分，主要作用是調(diào)整氣流，使之平滑）可以有效地將N形波轉(zhuǎn)化成一系列弱的激波；這降低了前激波的強度，減弱了音爆的第一聲巨響4 。所有機身外形調(diào)整的最終目的都是降低前后激波的強度，將N形波轉(zhuǎn)化成平滑的S形正弦波，使不和諧的音爆變得柔和，但是這樣卻會導(dǎo)致飛機飛行性能的惡化，需要各方面權(quán)衡取舍?！?】 第一代超音速客機氣動布局第一代的超音速客機主要有前蘇聯(lián)的Tu-144和英法兩國的“協(xié)和號”超音速客機。協(xié)和號是目前為止唯一投入運營的超音速客機。此外還有波音 2707和洛克希德

9、 L-2000，后兩者并未投入生產(chǎn)。3.1. 協(xié)和號 協(xié)和式飛機（Concorde）5是由英國和法國聯(lián)合研制的一種四發(fā)超音速客機，如圖1所示，它可以說時最著名的超音速飛機。協(xié)和式超音速客機采用無水平尾翼布局，為了適應(yīng)超音速飛行，協(xié)和式飛機的機翼采用三角翼，機翼前緣為S形。選擇S型前緣細長三角翼有多種理由：除了升阻比高、渦穩(wěn)定性好、氣動特性好之外,還有一個重要原因是S型機翼氣動力中心位于重心之后,而且在各個速度段上氣動中心移動很小，這對于飛機的穩(wěn)定是至關(guān)重要的6；三角翼的特點為失速臨界點高，飛行速度可以更快，且能有效降低超高速抖動時的問題。協(xié)和式飛機前機身細長，這樣既可以獲得較高的低速仰角升力，

10、有利于起降，又可以降低超音速飛行時產(chǎn)生的阻力，有利于超音速飛行。但是協(xié)和式飛機由于機頭過于細長，飛行員在起降時由于高仰角導(dǎo)致視線會被機頭擋住，為了改善起降視野，機頭設(shè)計成了可下垂式。圖1第一代超音速客機。左圖：德國 Sinsheim 的科技博物館中的協(xié)和飛機（左）和Tu-144（右）；右圖：Tu-144與協(xié)和號平面示意圖。3.2. Tu-144Tu-1447是由圖波列夫設(shè)計局研制的超音速客機，是“協(xié)和”同時代的超音速飛機。圖 -144 在外形上與“協(xié)和”非常接近，并被西方戲稱為“協(xié)和斯基”。但是兩款飛機還是有很大的不同。這兩款超音速客機在外觀上最大的區(qū)別是“協(xié)和”飛機采用S形前緣三角翼，而圖

11、-144 采用的是雙三角翼。此外，生產(chǎn)型的圖-144多出了一對被戲稱為“兔子耳朵”的可伸縮小翼。3.3. 波音 2707和洛克希德 L-2000與協(xié)和號同時代的其他超音速飛機還有波音 2707和洛克希德 L-2000。波音2707（Boeing 2707）是美國波音公司首次開發(fā)的超音速客機計劃，也是美國歷史上至今唯一的一種由美國政府直接主導(dǎo)、出資的民航客機研發(fā)項目。它們氣動外形的主要特點基本上類似，都是細長的機身和大后掠的三角機翼。相比之下，波音 2707和洛克希德 L-2000要比協(xié)和式飛機和Tu144大得多（如圖2左圖和中圖所示），同時，采用了有尾布局。值得一提的是，為了兼顧亞-超音速飛行

12、特性，波音2707-100方案采用了變后掠機翼，如圖2右圖所示。圖2左圖和中圖：協(xié)和式飛機、Tu144、波音 2707和洛克希德 L-2000超音速飛機對比。右圖：變后掠翼的波音 2707-100【4】 第二代超音速客機氣動布局第一代的超音速客機的失敗可以說是因為技術(shù)太過超前，但隨著音爆問題的研究有了進一步的進展，以及發(fā)動機性能的改善和主動控制技術(shù)的進一步發(fā)展，超音速客機的技術(shù)有了更堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。近年來，各國又紛紛提出自己的超音速客機研制計劃，超音速客機研制升溫，第二代超音速客機有望問世。相比于第一代的超音速客機，第二代在氣動外形方面有很多的改進。最主要的一點，也是超音速客機回歸的主要一點是

13、，這些新型的超音速客機能夠解決音爆問題，并提高了燃油效率。這里將會介紹這些超音速的飛機的氣動外形，其中，有些是已經(jīng)被舍棄的方案，有些是正在研制中，很有可能投入運營的項目。4.1. 音速巡航者音速巡航機（Sonic Cruiser）8, 9是波音公司的一款概念音速客機（如圖3所示），于2001年首度提出，其設(shè)計速度比現(xiàn)有不少民航客機快，接近音速的水平。圖3音速巡航者的三面圖（圖源9）其主要氣動外形如下10：“音速巡航者”將采用細長機身，帶根部翼套的雙三角大機翼加前翼，后置兩臺發(fā)動機和幾乎與發(fā)動機結(jié)為一體的雙垂尾布局?！耙羲傺埠秸摺睓C翼的翼尖采用了與波音767400ER類似的后掠翼梢，是提高升阻比

14、的措施之一。采用根弦很長的翼套，既保證了機翼有充裕的裝油空間，又保證了機翼具有小厚度弦長比的特點，從而可減小高速飛行的阻力。翼套本身的大后掠角，可以使“音速巡航者”的氣動阻力進一步減小。大翼套的機翼空間足夠大，所以帶多少燃油都不成問題。但是由于機翼位置離重心較遠，因而隨著燃油在飛行中不斷被使用，會引起重心較大的飄移，需要計算機系統(tǒng)來進行重心管理。大翼套的另一缺點是飛機在低速大迎角飛行時，很可能因為外機翼首先失速引起飛機上仰，這時前翼將起到關(guān)鍵的平衡作用，隨著飛行中重心的變化，前翼的作用也將越來越大，但它也同時會引起操縱品質(zhì)的不穩(wěn)定，因而飛機需要采用電傳操縱系統(tǒng)。 “音速巡航者”的機翼放在后面，

15、所以面積律修形可以通過后機身的自然收縮來實現(xiàn)?！耙羲傺埠秸摺痹谕鈾C翼的前后緣都設(shè)計了增升裝置，目的是盡可能將飛機外翼的失速延遲到更大的迎角。雙垂尾有些小，離重心的距離又不夠遠，將會采用全動形式。但是后來，不少航空公司均以營運成本作為訂購飛機的考慮因素，而非產(chǎn)品本身的速度，因此波音另推出“7E7”計劃，“音速巡航機”項目研發(fā)也于2002年12月終止，但技術(shù)以及機體設(shè)計應(yīng)用于“7E7”計劃（波音787）。4.2. 洛克希德 馬丁的“超音速綠色飛機”與波音的“圖標(biāo) -2” 據(jù)美國連線雜志與英國每日郵報等媒體近期報道，為了探索航空飛行的未來，美國洛克希德馬丁公司與波音公司日前都向美國宇航局（NASA）

16、提交了未來新型超音速飛機的方案，航空公司聲稱設(shè)計中采取了許多行之有效的辦法用以克服超音速飛機的固有問題，包括音爆、續(xù)航距離及載荷等，以期尋求更多元的飛行用途11 。洛克希德 馬丁提出了“超音速綠色飛機”（如圖4左圖），這款綠色的飛機線條圓滑、身形纖細，尤其是下垂的機頭為了避免飛行員在起降時由于高仰角導(dǎo)致視線被機頭擋住的設(shè)計，讓人頓時想起協(xié)和飛機。NASA表示，該“超音速綠色飛機”的倒V字形引擎裝置相當(dāng)于賽車上的阻流板，可改善氣流、減少音爆，同時還具有環(huán)保、增加續(xù)航距離及有效載荷等優(yōu)點。  而據(jù)波音公司發(fā)布的概念圖（如圖4右圖），它設(shè)計的新一代超音速飛機也使用了V字形的雙尾部

17、，與洛克希德馬丁的飛機一樣，引擎安置在機翼上部。而當(dāng)年協(xié)和飛機與幾乎所有的普通商業(yè)飛機一樣，引擎位于機翼下方。洛克希德 馬丁的“超音速綠色飛機” 波音的“圖標(biāo) -2”圖4美國洛克希德馬丁公司（左圖）與波音公司（右圖）向美國宇航局（NASA）提交的未來新型超音速飛機的方案4.3. 空中客車公司的超音速客機方案空客提出的超音速客機的驗證方案的氣動外形的最大特點是有一副巨大的三角翼安置在渾圓的機身上方。其概念圖（如圖5）把發(fā)動機安裝在機身位置，更是采用了可收放的設(shè)計，因為空客在這款超音速客機上安裝了三種發(fā)動機，分別是起飛時使用的渦噴發(fā)動機、爬升加力時使用火箭助推，以及巡航階段的沖壓發(fā)動機?？湛蜑榱藢?/p>

18、現(xiàn)4.5馬赫的飛行速度，將超音速客機打造成了火箭，中置燃料箱就位于乘客座艙的后方。正是為了滿足3種動力銜接使用，空客這款超音速客機的機身顯得相當(dāng)臃腫。圖5左圖：空客超音速概念客推進系統(tǒng)示意圖：空客方案使用了3種發(fā)動機，分別為火箭發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機以及沖壓式發(fā)動機，動力系統(tǒng)較為復(fù)雜。右圖：空客超音速概念客機外形圖：為了滿足3種動力銜接使用，空客這款超音速客機的機身顯得相當(dāng)臃腫。圖片來源；4.4云霄塔空天飛機（Skylon）英國Reaction Engines公司在在英國航天局的協(xié)助下，正在研發(fā)一種名為“云霄塔”（Skylon）的空天飛機12, 13，最高5倍音速、可容納40 名乘客、使用無碳

19、燃料，發(fā)動機從大氣中吸收氧氣和氫氣作燃料，并以單級入軌方式進入近地軌道。其最新的D1方案外形如圖6所示。圖6云霄塔空天飛機D1方案布局（圖源14）云霄塔飛行器 D1 的總體結(jié)構(gòu)包括細長機身及機身中部的三角翼，機身主要包括推進劑貯箱和載荷艙，佩刀發(fā)動機在翼尖軸對稱布置，在大氣層內(nèi)飛行時，機體分別通過鴨翼、副翼、尾翼來控制飛行器的俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航。在火箭模式上升段，隨著動壓的減小，主發(fā)動機逐漸取得俯仰控制權(quán)，直到最終主發(fā)動機關(guān)閉將俯仰控制權(quán)移交給直接力控制器。在飛行器再入大氣過程中，直接力控制器又逐漸把機動控制權(quán)移交給舵面。在本小節(jié)介紹的幾種超音速客機中，音速巡航者已經(jīng)被舍棄，洛克希德 馬丁的“超

20、音速綠色飛機”與波音的“圖標(biāo) -2”有望問世，空中客車公司的超音速客機任重道遠，而云霄塔項目似乎很有前景，也是目前最為成熟的一個項目。此外，日本方面關(guān)于超音速客機也有相應(yīng)的計劃15，限于篇幅這里不再敘述?！?】 其他一些超音速客機設(shè)想這里將要介紹的，是幾種比較有意思的超音速客機構(gòu)想。其中前面兩款：阿姆斯特朗和威特沃斯（Whitworth）的M形翼方案和亨德里-佩奇的斜翼飛翼方案，均成為航空史上一個著名的紙上談兵的異類。5.1阿姆斯特朗和威特沃斯（Whitworth）的M形翼方案大家一致認為，布里斯托爾 198是英國的第一個超音速客機的方案。事實上在布里斯托爾和維克斯-阿姆斯特朗（Vickers

21、-Armstrong）合作提出 198 之前，阿姆斯特朗和威特沃斯（Whitworth）合作提出過一種十分怪異的 M 形機翼方案（如圖7所示）。圖7阿姆斯特朗和威特沃斯（Whitworth）的M形翼超音速客機方案其氣動外形特點如下：1）采用了“跨音速面積率”的蜂腰設(shè)計，以減小穿越音障的阻力。2）機頭有一個前出的尖刺，用以提前形成激波，將激波前鋒從機翼前移，以改善機翼的氣動情況。3）機翼從翼根開始前掠，然后到一半翼展的時候，改向后掠，形成一個十分獨特的 M 形。這個獨特的形狀有利于大尺寸大后掠翼的橫風(fēng)控制問題。主要問題：1）速度只有 M1.2；2）其收縮的蜂腰使客艙布置很不方便限于當(dāng)時的技術(shù)水平

22、，該方案最后成為航空史上一個著名的紙上談兵的異類。5.2亨德里-佩奇的斜翼飛翼方案亨德里-佩奇的方案采用一個巨大的飛翼（如圖8所示），乘客和貨物都裝載在機翼里，但飛行員的座艙在機翼的一端。圖8亨德里-佩奇的斜翼飛翼超音速客機方案氣動外形特點：亨德里-佩奇的飛翼和一般的飛翼不同：一般的飛翼取消機身，加寬加厚機翼，但飛翼沿前進方向的中軸線是對稱的；亨德里-佩奇的飛翼是斜翼，相當(dāng)于取消機身，同時取消一側(cè)機翼，只剩下另一側(cè)機翼，所以飛翼在空中斜對著前進方向飛。 優(yōu)點：由于取消了機身，斜著飛的飛翼可以幾近任意地調(diào)整后略角，而不至于引起太大的氣動上的麻煩。主要問題：1）在實際上，后掠角過大時，誘導(dǎo)阻力增加

23、，所以并不實際。2）斜翼對高亞音速到 M1.4 之間是最優(yōu)的，速度更高并沒有優(yōu)越性。3）起飛著陸時，斜翼要正過來，需要異常寬大的跑道。4）斜翼調(diào)整后略角時，發(fā)動機的推力方向需要同步調(diào)整，大大增加機械上的復(fù)雜性。因為以上問題，亨德里-佩奇的斜翼方案最后也是淪為航空史上另一個著名的紙上談兵的異類。5.2斜置飛翼超音速客機盡管亨德里-佩奇的斜翼飛翼方案太過前衛(wèi)，不太符合當(dāng)時的實際而淪為航空史上另一個著名的紙上談兵的異類。然而，斜翼飛翼方案卻因其諸多的優(yōu)勢，近年來又得到了關(guān)注。美國國防部也打算重新研究擱置已久的斜置飛翼(OFW)飛機概念16。斜置飛翼是一種飛行后掠角可變的全機翼的飛翼式布局飛機，如圖9

24、所示。圖9斜置飛翼效果圖斜置飛翼主要的優(yōu)勢17如下：1）超音速激波阻力顯著減小。超音速巡航時,斜置飛翼沿來流方向的當(dāng)量長度約為具有相同面積、翼展和后掠角的常規(guī)對稱機翼的兩倍。2）可變后掠特性。斜置飛翼可以通過引擎的旋轉(zhuǎn)和控制面的操縱來調(diào)整飛行后掠角,在不同的飛行高度和馬赫數(shù)下實現(xiàn)最優(yōu)的飛行性能,高效地完成各種飛行任務(wù)。3）斜置飛翼不存在常規(guī)變后掠飛機后掠角變化引發(fā)的氣動中心移動的問題?？偨Y(jié)： 本文簡要介紹了文章首先簡要提出了超音速客機氣動設(shè)計的一些要求，在此基礎(chǔ)上簡要介紹了某些第一代超音速客機和第二代超音速客機方案的氣動外形布局。文章最后還順便提了一下兩種“怪異”的超音速客機氣動外形設(shè)計。參考

25、文獻：1.王維翰, 追夢超音速客機. 大飛機, 2015(4).2.郭鳳忠, 超音速客機東山再起. 航空史研究, 1997(2): p. 39-42.3.顧誦芬, 展望航空技術(shù)的發(fā)展. 中國科學(xué)院院刊, 1997. 1: p. 004.4.云歸, 破解音爆魔咒. 大科技: 科學(xué)之謎, 2015(4): p. 34-36.5.庾晉, 周潔, and 白木, “協(xié)和” 號: 世界上唯一運營的超音速客機. 交通與運輸, 2003(2): p. 26-27.6.李成智, 飛機設(shè)計思想的一場革命“協(xié)和” 式超音速客機研制歷程. 航空史研究, 1997(4): p. 44-47.7.苗濛, 第一種超音速客機圖-144. 航空知識, 2003(5): p. 20-21.8.宇迪, “音速巡航者” 將改變世界飛行方式. 國際航空, 2001(9): p. 26-27.9.Hepperle, M. The So