民用飞机气动布局发展演变及其技术影响因素

张帅， 夏明， 钟伯文,*

1. 中国商飞北京民用飞机技术研究中心 总体论证研究部， 北京　102211

2. 南京航空航天大学 航空宇航学院， 南京　210016



民用飞机气动布局发展演变及其技术影响因素

张帅1, 2， 夏明1， 钟伯文1,*

1. 中国商飞北京民用飞机技术研究中心 总体论证研究部， 北京102211

2. 南京航空航天大学 航空宇航学院， 南京210016

摘要:在民用飞机气动布局发展演变的历程中，技术因素是根本推动力。为了研究未来民机的发展方向、技术需求以及应对策略，在回顾民机气动布局发展历程的基础上，梳理了在现代民机气动布局形成与演变过程中有着重要影响的4大类技术因素：航空发动机、气动设计、结构设计、飞行控制，并且揭示了这些技术因素在民机发展及其气动布局演变中所发挥的作用。结合未来航空运输市场出现的新需求，分析了未来民机的主要发展方向，重点分析了未来非常规布局民机可能采用的翼身融合、双气泡机身、支撑翼以及联结翼等气动布局形式。最后探讨了新技术条件下民用飞机发展在技术方面的需求和挑战，以及未来民用飞机总体设计的技术策略，明确了多学科设计优化是满足未来民机总体设计需求的有效技术途径。

关键词:航空运输； 民用飞机； 气动布局； 总体设计； 技术因素

作为一种高效的运输工具,飞机在出现不久之后就引起了交通运输业的深刻变革，航空运输很快成为与陆运、水运并列的3大运输方式之一。航空运输的最突出特点就是高效率，而经过近一个世纪的发展，民用航空运输在速度和运力2个方面都有非常大的进步。作为民航运输的承载者，飞机自身也经历了长时间发展演变和多次技术革命，不断引入航空科学技术的最新成果，并不断适应世界航空运输业发展变化的需求。

经过近一个世纪的发展，民用航空运输业已经空前繁荣，民用飞机制造业也在二战前后经历了2次大发展，形成了今天民用飞机的基本气动布局形式。民用飞机的发展伴随着航空科学技术的进步，民机气动布局的发展演变本质上是由于技术因素的推动。透过飞机气动布局发展演变的历史进程，可以深入分析影响民用飞机气动布局形成的技术因素，梳理气动布局发展演变的技术脉络以及民用飞机气动布局与各学科技术之间的关联，进而结合未来航空运输市场出现的新需求，明确新一代民用飞机的发展方向。本文在回顾民用航空发展历程的基础上，分析现代民用飞机气动布局的形成过程，探讨影响现代民机气动布局的技术因素，从技术角度审视未来民用飞机的发展方向及其技术瓶颈，从需求角度评判专业技术成果对民机发展的推动作用，以明确未来民机发展在技术方面的需求和挑战，从而为明确具体专业技术的预研方向以及新一代非常规布局民用飞机的总体设计技术策略提出建议。

1民用飞机气动布局发展回顾

民用航空运输业起源于20世纪20年代，在20世纪30年代实现快速发展，开始出现航空客运业务，并且提出了“现代客机”的概念，涌现出以波音247、DC-2、DC-3等机型为代表的多种商业成功的民用飞机[1-2]。二战期间，美国在运输机研制方面取得了较大进展，并且在战后航空运输市场上形成了优势[1-2]。随着燃气涡轮发动机在20世纪40年代末趋于成熟，英国率先使用这种发动机，分别推出了采用涡轮螺旋桨的“子爵”客机和采用涡轮喷气发动机的“彗星”客机，获得了很好的业绩。然而，由于对金属疲劳问题缺乏认识，“彗星”客机连续发生了2次坠毁事故，给英国民航工业造成沉重打击，同时也为美国在喷气式客机领域实现超越提供了机遇。20世纪50年代，波音707和DC-8开始投入商业运营，并且取得了前所未有的成功[2-3]。此后，民航客机常规气动布局逐渐形成，近似圆柱形机身、后掠下单翼、单垂尾、翼吊或尾吊发动机等外形特点成为现代常规民航客机的典型特征[2-4]。

20世纪60年代是民航工业大发展时期，中短程客机、中远程宽体客机以及超声速客机相继出现，其中多个成功机型及其改进型依然是当今航空运输市场的主力。这一时期喷气式客机的各类气动布局集中出现，成为常规气动布局演化的源头[2,5]。按照发动机安装位置，喷气式客机布局形式主要分为翼吊发动机和尾吊发动机2种；其中，翼吊4发是首款获得商业成功的喷气式客机波音707采用的布局形式，该布局也被大型远程宽体客机波音747延用；翼吊双发和尾吊双发布局的代表机型分别为波音737和DC-9；尾吊3发布局中短程客机的代表机型为波音727和“三叉戟”(Trident)。此外，还有一种翼吊双发加尾部单发的3发布局形式，为早期的中远程宽体客机所采用，代表机型分别是DC-10和L1011。同一时期的超声速客机“协和”和图-144均采用了大后掠三角翼、无尾、细长机身的气动布局形式，以适应超声速飞行的需求。在随后近50年的发展历程中，民航客机大都延用这一时期产生的气动布局形式，其中的翼吊双发布局更是成为客机气动布局形式的主流。

现代客机常规气动布局在民用航空运输业发展壮大的过程中逐步形成，它直观地反映了整个20世纪民用航空工业的技术水平。从木制结构、拉力钢线式机翼到全金属半硬壳式机身、悬臂梁机翼，可见结构设计技术的进步是现代客机产生和发展的第一个动因；空气动力学理论的产生和系统化发展，以及试验空气动力学的快速进步，为较大型飞机的气动力设计奠定了基础；大型活塞式发动机配合变距螺旋桨动力系统的完善，及其效率和可靠性的提高，为民航客机带来第一次全面发展[2,6]。以上因素共同促成了民航客机的产生和快速发展，同时也推动了民用飞机常规布局的发展和演变。而20世纪60年代民航工业的大发展则得益于喷气推进技术的成熟、全金属结构设计水平的提高，以及跨声速和超声速空气动力学方面的研究成果[7-9]。可以看出，技术因素是民用飞机气动布局形成和发展的最主要推动力量。清晰梳理推动民用飞机气动布局发展演变的技术因素，深入理解不同技术因素对气动布局设计的最终影响，是正确把握未来民用飞机气动布局发展的基础问题，对新一代民用飞机气动布局设计具有重要意义。

2现代民用飞机气动布局

从航空推进系统的角度来说，现代民用飞机的产生与发展横跨螺旋桨系统与喷气推进系统2个时代。民航客机的动力系统从最初的活塞螺旋桨，发展到后来的涡轮螺旋桨、涡轮喷气以及涡轮风扇动力系统，在气动布局方面既有明显的界限，也有一定的延续性。从推进系统的演变对民机气动布局的影响入手，可以比较直观地理清现代民用飞机气动布局发展演变的脉络。

2.1活塞/涡轮螺旋桨民用飞机

大功率活塞发动机匹配变距螺旋桨的航空推进技术在20世纪30年代已经非常成熟；同时，半硬壳式机身、悬臂梁机翼与应力蒙皮等结构形式已经积累了丰富的设计经验。在这些技术的推动下，20世纪30年代成为活塞螺旋桨客机快速发展的时期，出现了多种成功机型，包括道格拉斯飞机公司著名的DC-3(如图1所示[10])。

图1美国道格拉斯飞机公司DC-3(活塞螺旋桨)[10]
Fig. 1DC-3 of Douglas Aircraft Companies in the United States (piston engine with propeller)[10]

DC-3飞机已经具备了现代民航客机的所有特征，全金属半硬壳式结构、悬臂梁下单翼、机翼安装2台发动机、可收放式起落架以及宽大的近似圆柱形机身。事实证明这一设计非常成功，该机在20世纪40年代就已经处于世界航空运输业的垄断地位。截至二战结束，该型飞机一共生产了13 000多架(包括其军用型C-47)，成为世界上单一机型产量最多的运输机[2,10]。

燃气涡轮发动机在20世纪40年代趋于成熟，而英国最早尝试将这种发动机应用于民航客机，相继研发了涡轮螺旋桨动力的“子爵”客机和涡轮喷气动力的“彗星”客机，2种机型均在20世纪50年代初投入商业运营。相比喷气式客机，涡轮螺旋桨客机在燃油经济性方面具有优势，但飞行速度提升有限，运输效率远不及喷气式客机，在大型客机的竞争中很快被喷气式客机所取代，没有成为现代客机的主流[2,11]。作为现代客机的一个分支，涡轮螺旋桨客机凭借燃油经济性较好、使用维护成本低、机场适应性好等特点在支线航空领域占据一席之地。

2.2涡喷/涡扇民用飞机

世界上第一种喷气式客机是由英国德哈维兰公司生产的“彗星”客机，它于1949年出厂，1952年投入航线运营[12]，其气动布局如图2所示。

“彗星”客机配备4台由罗罗公司生产的涡轮喷气发动机，采用后掠机翼，机身采用铝制蒙皮，使用增压客舱。可以看出，“彗星”客机基本上继承了DC-3的气动布局设计，将发动机安装在机翼根部，对喷气式发动机采用了内埋设计。这种安装方式使得发动机的维护操作困难，对于喷气式客机来说是一种不成功的设计。1954年，投入运营不久的“彗星”客机连续2次坠毁，给这一机型造成致命打击。通过对事故的调查分析，工业界对金属疲劳问题有了新的认识，进而改进了喷气式客机增压客舱的设计方式[13-14]。但是“彗星”客机因为不够成熟的设计，很快退出了喷气时代航空运输市场的竞争。

图2英国德哈维兰公司生产的“彗星”客机[12]
Fig. 2“Comet” airliner of de Havilland in Britain[12]

20世纪50年代发展的波音707是美国第一种喷气式客机，也是喷气时代民航工业诞生的第一个经典机型，对后续喷气式客机气动布局设计具有深远影响[15]。与此同时，涡轮风扇发动机也开始出现并逐步完善。早期的波音707客机采用普惠公司JT4A涡轮喷气发动机；后续改进型陆续换装了普惠公司JT3D涡轮风扇发动机。作为波音707系列中采用涡扇发动机的加长型，波音707-320B型客机已经将原型机的商载航程提高了1/3，同时具有很好的燃油经济性，取得了商业成功。

随着涡轮风扇发动机技术的不断完善，其在可靠性、推重比、燃油效率等方面相比涡喷发动机有了全方位的提升。波音公司在20世纪60年代推出了翼吊双发布局中短程客机波音737；道格拉斯公司也研制出尾吊双发布局的DC-9与之竞争。波音737与MD-82(DC-9派生型)气动布局对比如图3所示[16-17]。

欧洲国家在20世纪60年代末至70年代初组建了空中客车公司，推出了第一种双发中短程宽体客机A300，并且提出了将双发飞机延程飞行时间限制放宽至90 min的建议。这一建议得到了国际民航组织的认可，并逐步在世界范围内推广，也促使美国适航当局逐步放宽了对双发飞机60 min延程飞行时间的限制。随着适航条例对双发飞机延程飞行限制的放宽，3发宽体客机很快失去竞争优势而淡出市场[18]。在中短程单通道客机的竞争中，尾吊发动机布局因为重心变化范围大、结构重量较大、发动机拆装维护难度大等缺点，在100座级以上机型中相比翼吊双发布局处于劣势。在随后的发展历程中，双发翼吊布局形式成为民用飞机气动布局的主流，催生出了波音737、767、777以及空客A320、A330等多种成功机型。民用航空工业激烈的竞争选择形成了民用飞机常规气动布局形式，使双发翼吊布局在常规气动布局中成为主流，同时也使多家制造商因为某些机型的失败而淡出民用航空市场，最终形成了波音和空客双方对阵的格局。

图3波音737与MD-82的气动布局对比[16-17]
Fig. 3Aerodynamic configuration comparison between B737 and MD-82[16-17]

A330是在A300基础上发展起来的双发宽体客机，它与3发宽体客机DC-10的气动布局对比如图4所示[19-20]。

图4A330与DC-10的气动布局对比[19-20]
Fig. 4Aerodynamic configuration comparison between A330 and DC-10[19-20]

3推动民用飞机发展的技术因素

从现代民航客机的发展历程可以看出，推动气动布局设计发展的技术因素主要是航空发动机、气动设计、结构设计等3个方面，随着主动控制技术在客机上的成功应用，飞行控制技术也成为影响民机气动布局发展的重要因素。

3.1航空发动机

发动机的布置是飞机气动布局设计的重要方面，同时也直接影响飞机的最终气动布局形成。随着航空推进技术的进步，民用飞机推进系统从最初的活塞螺旋桨发动机进入喷气时代。今天，大型高涵道比涡扇发动机已成为民用飞机推进系统的主流。

航空活塞螺旋桨发动机在20世纪30年代发展成熟，出现了以普惠公司“双黄蜂”为代表的大功率星型风冷活塞发动机，该型发动机装配DC-3飞机，助力DC-3成为活塞动力时代最成功的运输机型号。活塞发动机在二战期间得到了很好的发展，双排星型气冷与V型水冷成为大功率航空活塞发动机的2种典型形式，不同形式的活塞发动机也直接影响了当时的飞机气动布局设计[2]。

水冷方式对于提升活塞发动机的功率有天然的优势，而且便于使用废气涡轮增压技术；相对于星型布置，V型布置方式具有细长的外形，更利于减小迎风面积和进行整流设计，以降低阻力。这些特点使大功率活塞发动机趋向于采用V型水冷形式，但是随着喷气式发动机这一革命性技术的出现，活塞发动机很快退出了客机推进系统的竞争舞台，仅在通用航空的轻型飞机市场占据一席之地。

民用航空从20世纪50年代开始正式进入喷气时代，而涡扇发动机很快取代了涡喷发动机，并且成为民航客机推进系统的主流。涡扇发动机自身也向着不断提高涵道比以提升燃油经济性的方向发展[21]。图5给出了喷气式发动机的发展趋势[4]，可以看出，当前的大涵道比涡扇发动机相比早期的涡喷发动机在燃油经济性方面有了很大的提升。

图5喷气式发动机的发展趋势[4]
Fig. 5Development trend of jet engines[4]

涡扇发动机涵道比的不断增大也带来了风扇直径增大、推进系统重量增加、短舱设计与安装困难等一系列问题。为了在燃油经济性以及综合性能方面取得平衡，发动机制造商也在不断尝试引入新技术对传统喷气式发动机进行革新，这些新技术包括开式转子发动机、新一代高涵道比涡扇发动机(GEnx系列)以及新型齿轮传动涡扇发动机(PW1000G)等[22-26]，如图6所示。

图6发动机制造商推出的新型发动机方案[22-26]
Fig. 6New engine designs of engine makers[22-26]

总的来说，以涡扇发动机为基础的民航推进系统技术进步不足以改变业已形成的客机气动布局形式。随着电动推进技术的不断进步，人们已经开始了混合动力系统与电动分布式推进系统应用于民用飞机的研究，NASA、波音和空客等研究机构分别提出了基于混合/分布式推进系统的民用飞机设计方案，并且开始了相关的验证研究[27]。

3.2气动设计

空气动力学是在流体力学的基础上成长起来的一个学科。经典流体力学理论在18～19世纪开始出现并形成基础；进入20世纪后，随着航空科技的迅速发展，空气动力学从流体力学中脱胎而出，成为力学的一个重要新分支。经典空气动力学理论在20世纪初基本完善，为现代航空器的设计提供了可以实现工程应用的分析方法。风洞从20世纪中叶开始大量建造并被广泛应用于空气动力学研究和航空领域的工程设计；与此同时，随着计算机技术的发展，计算机的求解能力与空气动力学的数值计算方法相结合，催生出了计算流体力学(CFD)。CFD具备成本低、效率高、应用方便等特点，50多年以来迅猛发展，已经成为飞机气动布局设计的首要工具[28]。

长期在NASA兰利研究中心从事风洞试验研究的空气动力学家Whitcomb分别于1952年和1967年提出面积律理论和超临界翼型，随后又通过风洞试验对翼梢小翼的设计做了大量研究；这些技术成果直接影响了超声速与高亚声速飞机的气动外形设计[29-30]。而CFD分析程序从20世纪70年代开始成熟，并逐步成为指导飞机气动设计的有效工具。以航空工业界应用非常成功的“flo”和“syn”系列软件为例，致力于计算空气动力学研究的Jameson教授在1970年推出第一个版本，经过30多年的发展，形成了涵盖全速势方程、欧拉方程以及Navier-Stokes方程的一系列CFD分析程序，并且成功应用于众多民用飞机型号的气动设计[31-32]。

NASA在2013年提出了未来15年CFD发展的路线图，明确了在高性能计算机、物理模型、数值算法以及工程应用等方面的技术路线[33]。路线图规划中指出，未来民机的气动布局设计将更加依赖于CFD分析能力；此外，气动设计水平的不断提升可能会使越来越多的新型布局形式应用于民用飞机。

3.3结构设计

第一次世界大战促使当时航空技术的快速发展，飞机的结构形式和制造工艺也随之丰富。一战后，出现了全金属半硬壳式机身、悬臂梁机翼、可收放式起落架等符合现代民用飞机特征的结构形式；飞机结构设计理论和方法也开始发展，出现了按静强度准则的设计载荷法。随着飞机飞行速度的提高，全金属飞机成为主流，在结构设计中也引入了刚度准则和考虑气动弹性问题的设计方法，为大型民用飞机的出现奠定了基础[34-35]。

第二次世界大战之后，喷气式飞机迅速发展，喷气式客机也进入了航空运输市场。喷气式客机发展的最初几年内，连续出现因金属疲劳而造成的灾难性事故。特别是世界上第一种喷气式客机“彗星”，在1年内连续出现2次空中解体事故，造成大量乘客和机组人员遇难。通过深入的调查和研究分析，航空工业界认识到金属结构疲劳问题的严重性，进而在结构设计中引入了防止金属疲劳的安全寿命设计理念。随着飞机性能和设计要求的不断提高，结构设计中又相继引入了损伤容限和耐久性设计，发展了新的结构可靠性设计方法[36]。

民用客机采用的圆形或近似圆形机身、圆形或以大半径圆弧倒角的口盖与舷窗等特征，都是随着设计方法进步而演变出现的。与结构设计方法的进步相对应，结构分析方法也从最初的强度/刚度校核迭代、工程梁简化分析进化到基于数值计算的有限元分析；随着计算机性能不断提升，结构有限元求解的规模和精度也得到了很大提高。高性能碳纤维复合材料以及新型金属材料在飞机结构部件中广泛采用，对结构设计方法、准则以及分析工具等提出了许多新的要求；另一方面，采用新型气动布局形式的飞机，例如非圆截面机身增压舱、带支撑杆或前后联结的非悬臂梁机翼等结构特征，也对传统结构设计和材料工艺提出了新的挑战。

3.4飞行控制

美国在20世纪70年代率先在飞机设计领域提出了主动控制技术，即在飞机设计的初始阶段就考虑到飞行控制系统对总体设计的影响，以充分发挥飞控系统功能[37]。这一技术最早应用于军机，使控制增稳系统从第三代战斗机开始逐步普及，军机的本体完全可以按照静不稳定进行设计，极大地提高了飞机的机动性。主动控制技术也使无尾飞翼气动布局的稳定飞行成为可能，并使该布局形式在B-2隐身轰炸机上得到成功应用。

放宽静稳定度(Relaxed Static Stability， RSS)是主动控制技术的典型应用之一，在20世纪90年代之后出现的客机中有部分型号采用了这一技术。客机采用放宽静稳定度设计，主要是为了减小配平阻力，从而提高飞机的燃油经济性[37]。通常情况下，采用RSS技术的客机尾翼面积会显著减小，机身缩短或机翼位置前移，如图7所示[38]。

图7民用飞机采用放宽静稳定度(RSS)设计的特点[38]
Fig. 7Design features of civil aircraft with relaxed static stability (RSS)[38]

采用RSS技术设计的飞机普遍采用电传操纵系统。空中客车公司最早将电传操纵系统应用于大型客机，在A320诞生以后发展的机型普遍采用了电传操纵系统和RSS技术；波音公司的767、777、787等客机也采用了电传操纵系统和RSS技术。随着主动控制和电传操纵技术的逐步普及，应用RSS技术已经成为先进客机设计的必然趋势。

翼身融合体(Blended Wing-Body, BWB)气动布局一直是民航工业界关注的重点，而BWB要充分发挥高升阻比的优势必须采用放宽静稳定度设计，因此需要借助主动控制技术实现BWB客机的总体设计。从本质上说，BWB布局需要在气动、操稳(包括飞控)一体化设计技术的基础上实现。

4未来民用飞机的发展方向

在可以预见的未来，常规布局客机仍将主宰民航运输市场，但会不断采用成熟的新技术提升性能以适应市场发展的需求。当推动民用飞机发展的技术取得突破性进展的时候，采用新气动布局形式的民机会迅速进入市场，有望改变民航运输市场的格局。因此，理清不同气动布局形式背后起决定作用的技术因素是判明未来民用飞机发展方向的关键。

4.1采用新技术的常规布局客机

以常规布局为基础，采用先进技术提升性能，仍然会是未来较长一段时期内民用飞机发展的主要方向。这些先进技术主要包括新型发动机、气动减阻、多电/全电机载系统、先进航电系统，以及新材料与新型制造工艺等。

采用新型发动机是客机最常使用的技术升级方式，对于燃油经济性、噪声和排放等方面的性能提升效果也最为直接有效。提高涵道比是涡扇发动机更新换代的主要方向，同时也意味着发动机风扇直径的增大；采用三轴式构造或齿轮传动风扇是为了大幅度提高风扇效率，同时也增加了结构复杂度；开式转子发动机采用无涵道的外露叶片，外露部分转子的直径通常大于同级别涡扇发动机的外涵道。这些结构上的差别必然导致短舱外形的改变，为飞机与发动机的匹配设计以及发动机的安装带来新的挑战，需要综合考虑气动外形、机体结构以及发动机短舱构造等多个方面。

气动减阻技术一直是运输类飞机的研究重点，加装翼梢小翼、机翼与发动机短舱安装导流片等都是常用的减阻改进方式，层流机翼也一直是飞机减阻技术的重点研究方向。相对于采用吸气或吹气方式的层流控制技术，自然层流技术没有附加能量消耗又不需要增加通气构造，通过机翼外形及蒙皮的精细化设计就有可能实现。

在常规布局客机的市场竞争中，发动机尾吊布局输给了发动机翼吊布局，只占据很小的市场份额。但是，尾吊布局在换装开式转子发动机方面具有天然优势，再加上无短舱吊挂的干净机翼有利于实现自然层流技术，因此，在新一代常规布局客机的预研中，尾吊布局再次受到关注，多家研究机构都给出了配装开式转子发动机的尾吊布局客机方案[39]，如图8所示。

减小机翼后掠角有利于机翼自然层流的保持，但会影响阻力发散马赫数。有研究表明，通过机翼上表面鼓包可以有效抑制激波，与增大机翼后掠角具有同等的效果[40]。有研究机构以此为基础提出了尾吊开式转子发动机、小后掠角自然层流机翼带激波控制鼓包的新一代常规布局民机设计方案[41]，但是方案要走向工程应用还有待于各专项技术的成熟。

图8新一代常规布局民机配装开式转子发动机方案[39]
Fig. 8New-generation normal configuration civil airliner with open rotor engines[39]

多电/全电技术是以发动机发电作为机载系统的能源，取代传统的发动机引气或驱动液压源的能源方式。随着发电机、蓄电池、各类电作动系统的技术成熟，多电飞机已经成功进入市场。随着各类电力机载系统的进一步完善，以电力作为机载系统的二次能源将成为必然趋势，全电客机也将成为现实[42]。

此外，航空电子系统、先进复合材料、先进制造工艺等多个领域的研究成果越来越多地应用到民用飞机中，这些先进技术全面提升了常规布局民机的性能，支持着常规布局民用飞机在未来很长一段时期内主宰民航市场。

4.2采用新型气动布局的高亚声速民机

BWB一直都是非常规气动布局运输机设计最为关注的布局形式之一(如图9所示)[43-44]，具有气动效率高、结构效率高、内部空间大等优点，但同时也在操稳特性、飞行控制、非圆截面增压舱结构设计、适航性(主要是翼展和应急撤离)、舒适性以及系列化发展等方面存在难题，其中操稳与飞控设计是BWB布局能否成功应用于民机的决定因素[44-45]。

要充分发挥BWB布局的巡航气动效率，就要放宽其本体静稳定性，而要保证客机的飞行安全又要求在自动飞控系统失效的情况下具备一定的静稳定裕度。准确运用气动、操稳、飞控一体化设计技术，在保证飞行安全的前提下充分发挥特有的气动效率优势，是BWB布局客机能够成功的关键。

升力体机身(Double Bubble, 又称双气泡)布局是一种介于常规布局与翼身融合布局之间的过渡形式，它是将常规的细长型近似圆柱体机身按展向放宽至大约2个圆形截面的宽度(如图10所示)[43-44]。一方面，加宽的机体可以产生一部分升力，提高巡航气动效率；另一方面，机身在纵向没有缩短，仍然可以安装垂平尾，保证了与常规布局相近的操稳特性。而且，机身的增压舱仍然可以按照圆形截面来完成结构设计，客舱布置难度降低，也易于满足应急撤离的适航要求。该布局形式的主要问题是机身在产生升力的同时会产生波阻，因此，如何提高升力体机身的阻力发散马赫数是这种布局设计的难点。

图9翼身融合体(BWB)布局民机概念方案[43]
Fig. 9Airliner conceptual design of blended wing-boby (BWB) configuration[43]

图10升力体机身布局民机概念方案[43]
Fig. 10Airliner conceptual design of double bubble
configuration[43]

运输类飞机追求巡航效率。巡航效率可以表述为巡航速度与升阻比的乘积，它反映了飞机的航程能力。增大展弦比、降低诱导阻力是提高运输类飞机巡航升阻比的一条有效途径，而对于悬臂梁机翼来说，增大展弦比的同时保证一定刚度会付出很大的结构重量代价。支撑翼(Truss- Braced Wing)形式是在机翼下方通过斜撑杆与机身相连(如图11所示[43])，使机翼的结构形式由悬臂梁转变为外伸梁，通过斜撑杆提高了整个机翼的结构刚度，有效控制了机翼结构重量的增加[46-47]。支撑翼布局是对大展弦比机翼结构的一种补充，改善刚度的效果有限，且机翼展长的增加受到机场适应性与适航方面的限制，这些因素限制了支撑翼布局的应用范围。

图11支撑翼气动布局民机概念方案[43]
Fig. 11Airliner conceptual design of braced wing
configuration[43]

联结翼(Joined-wing)布局又称盒式翼(Box-wing)布局(如图12所示[48])，它是一种通过前后机翼联结来改善机翼结构刚度的气动布局形式，不但增大了机翼的有效展弦比，而且以前后翼相联结来构成一个封闭盒段的方式提高机翼整体的结构刚度，在巡航效率与结构重量之间取得较好的平衡[48-49]。从本质上说，联结翼布局是气动结构一体化设计的产物，对气动设计与结构设计的技术水平都有较高要求。

图12联结翼气动布局民机概念方案[48]
Fig. 12Airliner conceptual design of joined-wing
configuration[48]

4.3采用混合/分布式动力系统的民机

在低碳节能的大趋势下，电动推进技术逐渐走向成熟，混合动力系统与分布式电推进动力系统出现在新一代民机的概念设计中。混合动力系统是将涡轮发动机的大部分能量转换为电能，再由电力驱动风扇(或螺旋桨)产生推进力。它的优点是，减小了涡轮核心机的尺寸和重量，使涡轮核心机长时间运行在最高效率的设计点附近，使得由电机驱动的风扇高效率运转，整个动力系统可以在不增加风扇直径的前提下进一步提高涵道比。这些优点使得混合动力系统具有很高的燃油经济性。空客与罗罗公司联合提出一种采用混合动力系统的客机概念方案“E-Thrust”(如图13所示[50])，它是由位于尾部的主涡轮发动机带动位于翼根上侧的电动涵道式风扇构成混合动力系统。

图13采用混合动力系统的客机概念方案[50]
Fig. 13Airliner conceptual design with hybrid propulsion system[50]

在混合动力系统的基础上，减小风扇推进器的尺寸并增加其数量，形成分布式动力系统，可以进一步提高动力系统的综合效率，提高燃油经济性，也可以为动力增升与辅助控制提供驱动力，是一种更具发展前景的先进推进技术。有研究表明，分布式推进与翼身融合布局相结合，可以充分发挥翼身融合的优势，得到更高的综合收益[27,51]。图14为NASA提出的一种分布式推进技术应用于BWB客机的概念方案[51]。

图14NASA提出的分布式动力翼身融合布局客机概念方案[51]
Fig. 14Airliner conceptual design of BWB configuration with distributed propulsion system proposed by NASA[51]

电动机的效率、体积、重量和散热等方面的问题是混合/分布式动力系统面临的首要限制条件；电力传输效率也是影响混合/分布式动力系统综合收益的关键因素。混合/分布式动力系统的成熟仍然有待于电力驱动技术水平的进一步提高。

4.4超声速客机

对速度的追求一直是航空工程的一个重要方向，民用飞机也不例外，超声速客机是未来客机发展的重要方向。唯一投入航线运营的超声速客机“协和”在2003年全部退役，目前世界范围内的超声速客运处于空白期[52]。超声速客机的巡航马赫数可以达到2左右，以“协和”客机为例，从伦敦飞到纽约仅需要不到3 h，相比一般的高亚声速客机缩短了一半以上时间。为满足超声速飞行的需求，“协和”采用大长细比的机身，载客量低；而且耗油率高，运营成本高,此外还存在超声速声爆问题。这些问题使“协和”客机在实际运营中受到了很多限制。在新一代超声速客机的研发中，燃油经济性与超声速声爆仍然是决定其能否成功运营的技术难点。

工业界一直没有停止针对超声速客机的预研和技术储备，最近几年也提出了一些超声速公务机和超声速客机的概念方案。相对来说，超声速公务机更容易利用现有技术得到满足需求的解决方案。图15为湾流公司提出的超声速公务机概念方案，计划采用变后掠翼实现高低速飞行状态的协调，采用超长的机头锥分解激波抑制声爆，同时还论证了使用变循环发动机的可行性[53]。

图15湾流公司 “安静超声速喷气机”(QSJ)方案[53]
Fig. 15“Quiet supersonic jet” (QSJ) design of
Gulfstream[53]

波音公司早在20世纪60年代就是超声速客机发展的支持者，参与NASA的超声速客机预研项目并在竞争中胜出，立项研制“2707型”超声速客机作为在民航市场取代波音747的主力机型，但由于耗资巨大又看不到商业前景，项目被迫终止，波音747反而成为迄今最为成功的大型远程宽体客机[54]。NASA在20世纪90年代再度提出高速商用运输机(HSCT)计划，波音公司也是其中的主要参与者，给出了研究规划和概念方案，但该项目于1999年取消，波音的超声速客机设计方案再一次无疾而终。

在NASA的先进民机中长期规划中，超声速客机再一次被列入，各大民机制造商都推出了自己在不同发展阶段的概念方案。波音公司分别提出了100座级的765-072B方案和30座级的765-076E(如图16所示)方案[55]。

图16波音公司765-076E超声速客机方案[55]
Fig. 16765-076E supersonic jet design of Boeing[55]

洛马公司在L1011项目失败之后退出了民用飞机市场的竞争，但一直在等待新的机会出现，最近也积极参与了NASA的先进民机发展计划。在高亚声速民机方向提出了联结翼布局方案；在超声速客机方向，提出了不同发展阶段的概念方案[56]。

图17给出了洛马公司的100座级先进超声速客机方案，及其与“协和”客机的外形对比[52, 56]。可以看出，新一代超声速客机的概念方案与第一代超声速客机外形相比变化很大，反映了航空工业界在音爆抑制、气动设计以及超声速推进技术等方面的最新研究成果。

图17洛马公司超声速客机方案(与“协和”对比)[52, 56]
Fig. 17Supersonic jet design of Lockheed (versus “Concorde”)[52, 56]

可以看出，在新一轮的超声速客机发展规划中，各大制造商均采用先易后难的发展策略，逐步运用已经成熟和预期很快成熟的技术来达成目标。其中，机头长锥音爆抑制技术被普遍采用，变循环发动机被明确列入需求，箭形机翼设计成为先进超声速民机概念方案的共同特点。

5民机发展对总体设计的需求和挑战

除了安全性、经济性之外，未来民机的舒适性和环保性日益受到人们的重视。随着全球范围对环境问题的关注，绿色航空概念为世界航空业所接受，环保性要求成为限制新一代民用飞机运营的门槛。在民用飞机预研体系中，越来越多的新技术被引入，以应对日益严苛的设计要求挑战。飞机设计本身是一项复杂的系统工程，具有典型的多学科集成特征。飞机总体设计技术是综合集成各学科专项技术，满足设计目标与要求，实现方案工程化设计的方法论。通过对总体设计技术的研究，一方面可以判定各专项技术在总体方案上应用的综合收益，为各学科的研究明确目标和方向；另一方面可以提供适合于专项新技术应用的设计方案，为充分应用各学科最新研究成果提高方案总体性能创造条件。

5.1新技术条件下民机总体设计需求

针对未来民用飞机，NASA提出了面向2020—2030年的中长期规划，明确了未来民机的性能指标[44,48,57]。其中“N+2代”民机(预计2020—2025年服役)最引人注目，其噪声相对第4阶段标准降低42 dB，NOx减排75%，油耗相当于波音777的50%。针对这一目标，NASA推动了“环保飞机”(Environmentally Responsible Aviation, ERA)计划，波音、洛马等制造商分别提出了各自的概念方案。后续发展规划中，NASA对“N+3”代飞机(预计2030—2035年服役)提出了更加严苛的指标要求，噪声相对降低71 dB，NOx减排超过75%，油耗要求相当于波音777的30%。欧洲航空研究咨询委员会(ACARE)也提出了2020年民机的环保指标，计划比2000年噪声水平降低50%、NOx排放降低80%、CO2排放降低50%。针对这一目标，欧盟在其第7框架研究计划中推出了“洁净天空”(Clean Sky)计划，其中明确了6个专项研究领域[58]；在此基础上还进一步追加投入，继续开展面向2050年的第2期计划“洁净天空”2(Clean Sky 2)。

面对上述需求，未来民机设计必须综合集成各学科专项技术的最新研究成果，才有可能实现经济性与环保性方面的目标。无论是新技术还是新型气动布局的应用，都对未来民机的总体设计技术提出了更高的要求[59]。首先，需要具备面向新技术及新型气动布局的各学科分析模型，由于缺少经验数据与方法的支持，分析模型要以数值分析方法为基础构建；其次，需要有适合大规模数值分析求解与综合集成优化的计算机协同处理技术，可以针对不同类型的飞机总体设计任务构建合适的分析、设计与优化流程；第三，需要将飞机设计流程与项目管理流程相结合，在满足方案设计要求的同时为型号预研与技术预研提供数据分析支持。

5.2计算机辅助飞机设计与多学科设计优化

现代飞机总体设计技术已经与计算机辅助设计技术充分结合，将飞机设计的主要流程和分析都通过计算机程序化实现。计算机辅助飞机设计技术在20个世纪60年代末到70年代初出现，发达国家的航空工业界在多年设计经验与技术积累的基础上开展研究，结合飞机型号设计任务在工程实践中加以应用，取得了一定的成效。20世纪90年代后，各大航空工业集团吸收整合了一系列核心科研成果和技术，相继建立起比较完善的飞机综合设计系统和信息技术架构，大幅提高了自身的科研实力和技术水平。进入21世纪，飞机设计和计算机技术领域涌现出很多新的研究成果，推动了相关高校和研究单位继续在计算机辅助飞机设计领域开展研究，提出了一些新的研究内容和技术框架[60-63]。

早期的飞机设计CAD系统通常包括图形工具、分析程序和数据库3部分。随着数值分析技术的进步，现代的飞机设计CAD系统又引入了参数优化和数值仿真等功能；学科分析模型的类型有所增加，分析精度也不断提高[64-65]。另一方面，在计算机专业领域，高性能工作站、并行处理、分布式集成以及网络化等技术迅速发展，为飞机设计中各学科的数值分析、数据交换和集成优化提供了基础。在此背景下，美国AIAA于20世纪90年代初正式提出了多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)这一研究领域，它是通过探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统的方法论。MDO在飞机设计中应用是计算机辅助飞机设计技术在内容上的扩展和延伸，同时也对技术的应用提出了更高的要求[66-67]。

基于MDO的飞机总体设计技术是以各学科数值分析模型为基础，借助计算机数值计算与数据处理的协同技术，将各学科的分析流程有机集成在一起，实现方案的多轮迭代优化设计。它以数值分析代替传统计算机辅助参数化设计中的统计数据、工程估算或经验公式等方法，提高了计算精度和可信度，适用于新概念飞机以及采用新技术的飞机。同时，MDO框架有利于各专业学科的设计人员更新分析模块，也有利于总体设计人员针对不同类型飞机或不同层次设计任务灵活地变更设计流程。经过多年的发展，基于MDO的飞机总体设计技术已经在航空工业界受到普遍关注，国内外相关研究单位也竞相开展MDO平台的开发工作。波音、空客等主要民机制造商也在尝试将MDO技术引入客机的设计过程[68]。可以预见，MDO技术必将成为民用飞机总体设计的重要方法和工具。

飞机多学科设计优化逐渐发展成为集设计、分析、优化、学科集成、数据和项目管理等功能为一体的综合应用技术。飞机设计领域的计算机技术趋向于网络化、智能化、一体化和系列化，专业划分更加细致明确[69]。新技术条件下构建飞机多学科设计优化系统的工作需要航空工业单位、科研院所、IT技术公司和高等院校广泛合作才能更好地完成，这样可以体现出各部门的专业特色，充分发挥它们在型号研制、技术开发和理论研究等方面的作用。

由此可见，随着飞机设计技术与计算机辅助工程的不断进步，传统计算机辅助飞机设计已经发展成为大系统集成框架下的MDO技术[70-71]。而基于MDO的飞机设计技术是应对未来民机总体设计需求与挑战的一条有效途径，成为面向未来民机总体设计技术研究的热点之一。

6总结

从民用飞机的发展历史可以看出，航空发动机、气动设计、结构设计以及飞行控制等方面的技术进步是推动民用飞机气动布局形成和演变的决定因素。未来民用飞机的发展也离不开各方面基础技术的发展成熟。充分运用总体设计技术，从飞机总体方案的角度分析各个学科技术对总体方案最终形成的影响，可以理清决定总体方案最终形成的技术因素。

在新一代民用飞机的预研中，充分发挥总体分析的作用，深入研究各类气动布局中起决定性作用的技术因素，才能明确不同气动布局发展所需的技术条件和面临的技术风险，从而准确把握先进民机气动布局的发展脉络，为新一代民机的预研做好技术支撑。

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Tel: 010-57808171

E-mail: zhangshuai@nuaa.edu.cn

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Tel: 010-57808804

E-mail: xiaming@comac.cc

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Tel: 010-57808802

E-mail: zhongbowen@comac.cc

Received： 2015-10-20; Revised: 2015-11-10; Accepted: 2015-11-17; Published online: 2015-11-2613:51

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ZHANG Shuai1, 2, XIA Ming1, ZHONG Bowen1, *

1. Department of Aircraft Configuration Studies, Beijing Aeronautical Science & Technology Research Institute of COMAC, Beijing102211, China2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing210016, China

Abstract:Technology is a basic impetus on the development and evolution of the civil aircraft aerodynamic configuration. In order to study the development directions, technical requirements and strategies for the future civil aircraft, this paper reviews the development of civil aircraft aerodynamic configuration and then summarizes four technical factors, i.e., aeroengine, aerodynamic design, structural design and flight control, which have important influence on the formation and evolution of the modern civil aircraft aerodynamic configuration. The role of these technical factors in the development of the civil aircraft aerodynamic configuration has also been revealed. Considering the new requirements for the future air transportation, this paper points out the main developing directions of the future civil aircraft, and emphatically analyzes the aerodynamic configurations such as blended wing-body, double bubble body, braced-wing and joined-wing, which might be used in the future unconventional civil aircraft. Furthermore, the challenge in technology development, as well as the technology strategies for the future civil aircraft conceptual design, has been discussed. Finally, the paper clarifies that the multidisciplinary design optimization is an effective method for the future civil aircraft conceptual design.

Key words:air transportation; civil aircraft; aerodynamic configuration; conceptual design; technical factors

*Corresponding author. Tel.： 010-57808802E-mail: zhongbowen@comac.cc

作者简介：

中图分类号：V221

文献标识码：A

文章编号：1000-6893(2016)01-0030-15

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0311

*通讯作者.Tel.： 010-57808802E-mail: zhongbowen@comac.cc

收稿日期：2015-10-20; 退修日期: 2015-11-10; 录用日期: 2015-11-17; 网络出版时间: 2015-11-2613:51

网络出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151126.1351.008.html

引用格式： 张帅, 夏明, 钟伯文． 民用飞机气动布局发展演变及其技术影响因素[J]． 航空学报, 2016, 37(1): 30-44. ZHANG S, XIA M, ZHONG B W. Evolution and technical factors influencing civil aircraft aerodynamic configuration[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 30-44.

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