“游侠”带火翼身融合

刘振敏

由于受到新冠肺炎疫情的影响，全球四大航展之一的2020年新加坡航展显得有些冷清，但空客凭借一款颇具科幻感的“游侠”验证机让业界似乎又看到了未来商用飞机的样子。一时间，关于翼身融合技术的探讨又热闹了起来。

技术探索成果丰盛

近30年来，气动布局技术研究一直极为活跃，各种新概念气动布局大量涌现，并全面推动着商用飞机技术的发展和进步。目前，业界主要聚焦于翼身融合（BWB）、双气泡机身、桁架支撑翼、连接翼等几种新概念布局，并陆续进入技术验证阶段。因此，预计2030年前后，商用飞机将迎来新的技术跨越，新布局的亚声速飞机或将问世。

在所有的新概念气动布局中，翼身融合构型最为业界看好。所谓翼身融合布局是指机翼和机身高度融合的全升力面飞机外形。在相同装载要求下，翼身融合设计能够降低全机浸润面积，从而减小摩擦阻力，与传统的“筒状机身+机翼”布局相比，翼身融合布局的飞机巡航效率可提高15%～20%（相对于787和A350），并具有降低噪声、排放和结构重量等潜力。

对于翼身融合布局的设想，最早是由麦道公司在1988年提出的，随后欧美很多企业和研究机构都进行了相关的研究，但大部分成果被主要应用于军用航空产品，例如美国的B2轰炸机就是一款典型的翼身融合布局的飞机。

相比之下，在商用飞机领域，翼身融合技术的发展较为缓慢。当然，这似乎也无可厚非。尽管翼身融合技术有很多优点，但是对于商用飞机来说，采用这一设计需要解决很多问题。

首当其冲的就是安全问题，相比现在的飞机布局，飞行员操控翼身融合设计的飞机将面临巨大的挑战，无论是飞控系统还是驾驶模式，都必须加以调整。

其次，民航飞机都为增压机舱，相比现在的圆筒式机身分散压力，翼身融合概念还要解决结构强度的问题，以规避飞行过程中发生解体的风险。

第三，全新的设计对于现有的民航安全法规也提出了新的挑战。如何保证采用翼身融合技术的飞机满足适航要求，可能要比技术研发本身难得多。

尽管需要解决的问题还很多，但是这并不能阻挡制造商和科研机构的研发热情。尤其是，近年来随着人们环保意识的提高以及业界越来越苛刻的碳排放要求，飞机制造商们正在重新审视商用飞机的设计。为了制造更环保的客机，无论是制造企业还是科研机构都认为，翼身融合布局不失为一个极具潜力和可行性的选择。

2019年，荷兰皇家航空公司（KLM）就表示已与代尔夫特理工大学合作开发“Flying-V”翼身融合体飞机。几年前，NASA也提出了N3-X概念，探索BWB布局全渦轮电分布式推进系统带来的收益。此外，NASA也正在着手采用BWB布局来设计生产下一代亚声速X验证机。

在我国，航空科技工作者早已关注到了这一重要发展趋势，从2000年初就开展了关于BWB布局的商用飞机的探索，中国商飞、中航工业、西工大、北航等企业和高校都开展了大量的研究，在BWB布局气动性能、结构设计、飞控、适航等方面获得了许多成果。其中，西工大团队为发展下一代宽体民机开展了BWB布局概念探索，提出了先进的BWB布局设计思想，形成了有工程应用前景的方案并进行了试验验证，探索解决高速飞行与低速起降性能协调、客舱舒适性与应急疏散兼容、增升与配平能力匹配等核心技术难题。

如今，随着BWB布局的不断发展，一些关键技术基本明确并取得重大研究成果，应用对象也随之清晰。最新研究表明，未来BWB布局应用或将不再局限于250座级以上的大型商用飞机，还可扩展到100～150座级的单通道客机和高端公务机领域。

“游侠”现身吸眼球

在此次新加坡航展上，空客向公众展示的“游侠”验证机项目（MAVERIC，用于试验和验证鲁棒创新控制的飞机模型），机身长2米，宽3.2米，表面积约2.25平方米，布局设计极具颠覆性。空客方面表示，采用该设计的飞机与现有的单通道飞机相比，预计燃油消耗可降低20%。

MAVERIC是空客内部的保密项目，2017年启动，2019年6月在法国中部完成首飞，空客重点探索了BWB飞机所需的先进电传操纵技术。此后，飞行测试活动一直在进行，并将持续到2020年第二季度末。

在首飞之前，此款验证机还在空客位于英国菲尔顿的基地进行了相关的风洞试验，验证了MAVERIC验证机的气动特性，这将有助于更好地识别和分析关键技术，评估飞机低速和失速特性。空客表示，未来验证机的测试还将继续围绕飞行品质、飞行控制、多目标操纵面和模块化等方面进行。

尽管对于“游侠”验证机，空客方面并没有透露太多的技术信息，但是从已经公开亮相的验证机外形中似乎也能看出一些门道。

MAVERIC验证机宽敞的布局为设计师打开了更为广阔的设计空间，可以集成各种类型的推进系统。与波音X-48C相似，该机采用了背负式发动机和双垂尾，机身对发动机噪声向下方传播有一定的遮蔽作用，双垂尾则提高了飞机航向稳定和控制能力。与X-48C不同的是，该机发动机安装在垂尾底部，这样可能有利于减小垂尾面积，但对侧向噪声的屏蔽作用会有所减弱，同时还会因发动机和垂尾结构的连接而使得重量和复杂度增加。

乘客体验方面，从空客公布的客舱图可见，如果未来商用飞机采用这种客舱布局的话，则完全打破了传统单通道飞机乘坐体验，乘客能够享受更大的腿部空间和更宽敞的过道，同时客舱的布局也充满了科技感。

当然，也有业内人士指出，如果只是把旅客集中在翼身融合飞机的中间部分，那么剩下的一些空间该如何合理使用将是一个需要进一步探索的问题，否则所谓的提高飞行效率的优势或将不复存在，毕竟这样的布局对于航空公司来说，如何增加座位数将成为一个难题。

技术挑战还很多

尽管空客此次展示的验证机十分炫目，并且也没有人会质疑翼身融合布局的飞机在燃油消耗、排放及噪声等方面的优势及广阔的应用前景，但在真正投入工业应用之前，仍有多个专业技术领域面临挑战，多项技术瓶颈仍有待突破，尤其在总体和气动设计技术方面需要解决的技术难题还很多。

从业内已经公开的翼身融合布局中不难发现，由于中机身较短，纵向配平能力有限，加之噪声排放标准的提高，限制了高增升系统（如传统多段增升装置）的使用，上述两种因素的共同影响导致现有多种翼身融合布局的飞机几乎都难以满足下一代商用飞机对于起降性能指标的要求。

为此，2017年波音和NASA在重启X-48C验证机项目时，将BWB构型飞机的短距起降问题列为首要解决的问题之一，这从一个侧面反映出翼身融合构型飞机起降问题的复杂性和高难度。从现有技术来看，要解决这一问题不仅需要发展高效增升、小低头力矩、低噪声的新型增升装置，更需要在气动布局方面寻求更大的突破。

其次，高度融合的宽短中机身带来安全性与适航性挑战。翼身融合布局由于中机身宽短，其安全性和适航性问题一直备受关注。现有300以上座级翼身融合方案在机身两侧可布置6个舱门，为满足适航应急疏散要求，需要在机身后体下表面再布置舱门，但该位置的应急出口存在机腹着地迫降状态下无法使用的风险。此外，宽而短的客舱使每排座位较多，这使外侧乘客在飞机滚转和偏航飞行时承受较大过载，且中间乘客距懸窗较远。

第三，操稳问题使无尾布局短期难以实现。翼身融合布局纵/航向操纵能力偏低，特殊的质量分布和平面形状又使其倾向于纵/航向不稳定，在民机安全性和飞行品质要求下，需要应用先进的增稳控制系统。为了提供适当的稳定性和足够的增稳操纵裕度，诸多研究机构在飞机本体增稳技术和操纵舵面设计方面进行了很多探索和研究，但至今还没有一个很好的解决方案。

在此背景下，混合翼身布局（HWB）的设想开始被付诸实践。混合翼身布局本质上是翼身融合布局的改进和发展，是翼身融合布局走向实际应用过程中综合设计的产物，主要面向450座级以下客机。混合翼身布局的显著特征，或者说与翼身融合布局的差异，主要体现在中央机体加长、机翼-机身的融合过渡更快、机身宽度减小、机身轮廓更加明显等方面。

混合翼身布局设计思想旨在通过快速融合减弱中机身和过渡段的激波强度，增大外露机翼面积和展弦比，提高整机升力面的利用率和气动效率。收窄的中机身能够减少每排座位数，降低外侧乘客承受的过载，增加更多舷窗，缩小中间乘客距舷窗的距离，多方面提升舒适度。较长的中机身更容易沿机身布置舱门，有助于解决应急疏散问题，提高安全性。

当然，混合翼身布局同样也有很多问题有待解决，如飞机-发动机综合集成设计、降噪技术等诸多难题，而这些技术恰恰又都是一个精细设计、点滴积累的过程，无论是混合翼身布局还是翼身融合布局，当前已有的技术积累是远远不够的，新构型要真正从纸面变为产品还有很长的路要走。