翼身融合民机总体气动技术研究进展与展望

翼身融合（BWB）布局作为下一代亚声速民机主流方案已得到共识,研究步伐正在加快,进入工程应用指日可待。在回顾国内外BWB民机发展历程的基础上,简要阐述了飞翼布局（FW）和BWB布局的差异,明确了BWB概念特征及应用范围。聚焦BWB飞机总体气动设计中的技术挑战和对策,重点论述分析了BWB布局技术瓶颈及设计思想演化,新型结构与重量估算、适航符合性等总体设计问题,气动布局设计原则、高-低速性能协调等气动布局设计问题,飞-发干扰与一体化设计、新型发动机技术应用等飞机-发动机综合集成设计问题,降噪技术及其衍生的设计冲突、考虑噪声指标的总体设计策略等问题。并从技术进展和工程可实现性角度,展望了BWB民机的发展趋势。     

翼身融合布局民机克鲁格襟翼设计

翼身融合（BWB）布局是"绿色航空"发展目标的下一代大型民用飞机的理想布局。由于高度融合的外形特点,BWB布局难以通过应用传统增升装置实现低速增升与配平的协调设计。本文采用开缝钝头克鲁格襟翼提高BWB布局低速失速特性。首先,构建了克鲁格襟翼二维参数化方法,该方法符合克鲁格襟翼运动机构特点,可准确描述几何外形与缝道配置。其次,开展克鲁格襟翼几何参数与偏转角度的影响规律研究,分析流动形态与增升机理,提出设计原则。综合考虑外形、运动机构与遮蔽效应等设计约束,以提高增升能力为目标,开展前缘开缝克鲁格襟翼优化设计。优化设计结果满足设计约束,数值分析表明其增升能力比初始外形与经典缝翼均有明显提高。最终,采用前缘开缝克鲁格襟翼与后缘简单襟翼构建BWB增升构型,数值模拟与风洞试验结果表明,增升方案能够实现升力系数要求,降低了对配平能力的需求,减小了增升装置和高升力配平设计压力。提出的克鲁格襟翼设计方法不仅适用于BWB布局,也为传统布局民机增升装置设计提供了技术支持。     

翼身融合亚音速运输机的设计（1）

波音翼身融合（BWB）飞机方案代表了在亚音速运输机效能方面的潜在突破。通过对其可行性论证以及对这种新飞机的研制，开始了这项方案。在初期的研究阶段，飞机型式定为800名乘客的翼身融合飞机和常规布局都按7000n mile的设计航程进行比较，两种飞机都基于2010年进入服役的发动机和结构技术。结果显示，与常规布局相比，BWB的性能得到显著的提升，其中包括起飞重量下降15％、燃油消耗每海里下降27％。后来在波音内部确定了乘客为200-600名、其部件的通用性水平和生产效能都很高的BWB系列运输机的研制。研究的情况业已证明BWB能够易于适应的巡航马赫数高达0．95，与建立在相同技术上的常规型亚音速运输机相比，最新的波音BWB系列的性能改进得到的提升超过了早期NASA发起的研究预期。     

翼身融合背撑发动机布局的动力短舱设计

为了解决翼身融合（BWB）背撑发动机布局的飞机-发动机流动干扰问题,依据BWB流场特征,提出背撑式动力短舱设计思想：采用轴对称短舱,结合可以减小短舱外部流动对机体影响的外罩型面和满足进气效率要求的进气道型面设计。基于本文构建的动力短舱参数化建模方法和多点优化设计方法,开展兼顾内外流的短舱综合优化设计研究,最后对设计方案安装状态流场进行分析。结果表明：提出的设计方法可以给出具有不同内外流气动特性、满足BWB背撑式发动机动力短舱多点设计要求的设计方案,巡航状态短舱外表面和全推力状态进气道最大马赫数最大可减小8.35%和11.81%,优化结果在最大推力和侧风起飞状态也具有良好的进气道性能;动力短舱安装状态消除了高速巡航飞行状态下短舱和机体之间的强激波和后体流动分离,低速大迎角状态机体外流能够为发动机提供均匀稳定的进气,进气道总压恢复系数满足设计要求。     

民机的一种新型布局形式——翼身融合体飞机

 讨论了一种区别于机翼与圆柱机身的传统民机外形——翼身融合体（BWB）外形。从给定容积下减少浸润面积和摩擦阻力的考虑发展出了翼身融合体的概念。在满足系列设计约束条件下讨论了适于大型（800座）客机的翼身融合体的技术和商业上的可能性。概念设计研究表明,翼身融合体外形可获得比常规外形更好的性能。巡航升阻比可从传统外形的19提高至23。480座的BWB外形与同量级的传统外形（A380-700）相比,最大起飞重量可减少18%,每座位燃油消耗可减少32%,具有良好的环保性。通过气动载荷分布规律的反设计,翼型修型和三维优化设计等气动设计方法可以有效减阻和提高BWB的气动性能。由于BWB的高度融合性,讨论了多学科优化设计方法的重要性和有效性。BWB概念能够发展成BWB系列机,进一步提高巡航马赫数也是可能的。     

翼身融合布局低速风洞试验研究

翼身融合布局(BWB)综合性能突出,是未来民用航空领域飞行器发展的必然趋势,研究BWB布局的气动特点及流动机理,对开展BWB布局设计具有重要的支撑作用。采用测力、丝线流动显示的风洞试验方法并辅以CFD方法,开展300座级BWB布局(BWB-1)低速气动特性、流动机理及通气发动机短舱影响研究。结果表明:与Early BWB、N2A布局相比,BWB-1具有更好的低速纵向气动性能,具有横向静稳定、航向静不稳定量值较小,航向增稳与控制难度较小等优点;揭示了布局的流动发展过程及具有和缓失速特性的物理原因;通气发动机短舱对提高最大升力及增加航向静稳定性有利,对横向静稳定性影响较小,但使得阻力和低头力矩增加;CFD纵向计算结果与试验基本一致,验证了CFD方法的有效性。     

翼身融合布局飞机机体-发动机气动干扰效应

翼身融合（BWB）布局飞机是一种相对较新的飞行器概念,具有商业运输飞机的潜在用途。研究表明,翼身融合布局客机可获得比常规布局客机更好的性能。但是,由于各方面限制,BWB飞机不宜使用传统的机翼安装或机身安装的发动机布局,发动机背部安装成为首选布局。然而,背部安装发动机容易产生激波、分离、进气畸变等空气动力干扰问题,发动机与机身一体化的气动设计已成为BWB飞机发展的关键技术。针对BWB布局飞机的机体和发动机之间的气动干扰进行了数值研究,结果表明,背部安装发动机对BWB布局飞机的全机气动特性和发动机本身的推力性能都会产生较为明显的影响。     

翼身融合飞机的空气动力学研究进展

翼身融合飞机(Blended Wing Body Aircraft-BWB Aircraft)是一种新型高升阻比无尾布局的大型运输机,其气动特性的研究是BWB布局飞机克服众多技术难题的基础。文章首先简述了BWB布局的研究历程,给出巨型BWB布局飞机的总体几何特征参数和基本性能,并简述风洞和自由飞试验情况;接着介绍BWB研究中的多学科优化平台,着重讨论气动优化技术,它是解决BWB布局气动问题的基础手段之一;然后综述BWB布局研究的热点领域:气动特性研究、气动弹性研究和发动机/机体一体化设计研究;最后提出BWB布局发展趋势的若干方面。     

无尾布局翼型的DISC设计研究

采用DISC方法耦合N-S方程求解程序研究了无尾布局翼型的设计。通过NLF1015,RAE2822翼型的反设计表明,该方法可用于亚、跨声速翼型设计,具有简单、计算量小的优点。完成了翼型改进和新翼型设计,对某BWB飞机内翼段翼型进行了改进设计,采用人工干预对现有翼型压力分布进行局部修正,达到快速削弱激波、改善翼型气动性能的目的;针对小展弦比翼身融合布局内翼段新翼型设计,采用基于多目标多约束压力分布优化的设计思想,得到满足气动和几何约束的目标压力分布。设计结果表明,数值优化目标压力分布方法较易满足总体与气动的设计目标和约束。     

特殊布局高亚声速层流无人验证机基本翼气动力协调设计

高亚声速层流无人验证机首创性地采用内侧等直试验段与外侧后掠基本翼相结合的特殊气动布局形式,基本翼与试验段在整体飞行特性层面的协调匹配及基本翼自身的高低速特性协调匹配是气动力设计的出发点。根据典型飞行试验任务对高速巡航效率和低速失速特性的设计需求,针对性剖析了高低速气动特性的主控因素与设计原理。结合全速势-附面层修正方法设计、数值模拟校核的思路开展了兼顾巡航点激波/环量特性及低速分离顺序的基本翼气动力协调设计研究,形成了工程适用的设计方案。数值模拟和风洞试验综合评估结果表明：设计方案实现了大尺寸翼吊短舱影响下的巡航点无激波压力分布稳健性设计,在高亚声速验证工况气动特性良好的前提下,有效保证了低速临界迎角状态翼面分离梯次合理、升力/力矩可用,实现了基本翼与飞行试验验证需求及高低速气动特性的双重协调匹配。     

Effects of stability margin and thrust specific fuel consumption constrains on multi-disciplinary optimization for blended-wing-body design

Blended-Wing-Body(BWB) configuration, as an innovative transport concept, has become a worldwide research focus in the field of civil transports development. Relative to the conventional Tube-And-Wing(TAW) configuration, the BWB shows integrated benefits and serves as a most promising candidate for future ‘‘green aviation". The objective of the present work is to figure out the effects of the stability margin and Thrust Specific Fuel Consumption(TSFC) on the BWB design in the framework of Multi-Disciplinary Optimization(MDO). A physically-based platform was promoted to study the effect static stability margin and engine technology level. Low-order physically based models are applied to the evaluation of the weight and the aerodynamic performance. The modules and methods are illustrated in detail, and the validation of the methods shows feasibility and confidence for the conceptual design of BWB aircrafts. In order to find out the relation between planform changes and the selection of stability and engine technology level, two sets of optimizations are conducted separately. The study proves that these two factors have dominant effects towards the optimized BWB designs in both aerodynamic shapes, weight distribution, which needs to be considered during the MDO design process. A balance diagram analysis is applied to find out a reasonable static stability margin range. It can be concluded that a recommended stability margin of a practical BWB commercial aircraft can be half of that of a conventional TAW design.     

Aerodynamic Design Methodology for Blended Wing Body Transport

This paper puts forward a design idea for blended wing body(BWB).The idea is described as that cruise point,maximum lift to drag point and pitch trim point are in the same flight attitude.According to this design idea,design objectives and constraints are defined.By applying low and high fidelity aerodynamic analysis tools,BWB aerodynamic design methodology is established by the combination of optimization design and inverse design methods.High lift to drag ratio,pitch trim and acceptable buffet margin can be achieved by this design methodology.For 300-passenger BWB configuration based on static stability design,as compared with initial configuration,the maximum lift to drag ratio and pitch trim are achieved at cruise condition,zero lift pitching moment is positive,and buffet characteristics is well.Fuel burn of 300-passenger BWB configuration is also significantly reduced as compared with conventional civil transports.Because aerodynamic design is carried out under the constraints of BWB design requirements,the design configuration fulfills the demands for interior layout and provides a solid foundation for continuous work.     

考虑排放影响的飞机多学科优化设计

随着民用航空运输业的发展,飞机对气候环境的影响越来越受到重视。为了满足未来飞机设计中经济性和环保性等指标,有必要在飞机概念设计阶段综合考虑成本和排放的影响。本文使用全球平均温度变化作为衡量飞机排放对气候影响的标准,分析了飞机巡航高度和速度对于排放物的影响。进一步,通过整合气动、重量、成本和排放等学科模型,建立了飞机概念设计阶段的多学科优化框架。基于该优化框架,以机翼平面形状、飞行速度和高度等参数为优化变量,分别以排放最小和成本最低为目标,进行了单目标和多目标优化设计研究。Pareto最优前沿的优化结果显示,单位排放成本的高低会影响成本相对于排放性能的变化趋势。     

欧美翼身融合大型民机方案综述

未来航空运输市场对大型民机提出了更严苛的要求,采用翼身融合构型成为提升未来民机综合性能的重要发展方向,引起各大飞机厂商和科研院所的广泛关注。从布局变革、方案演变以及关键技术成熟度提升等多方面出发,比较详细地论述了欧美各国在翼身融合方案设计领域的探索研究工作。重点对美国N+2/N+3计划、欧盟第五框架计划中研究的多个主流方案进行分析,并对其中涉及到的系列化、应急撤离、动力集成以及气动设计等问题的研究现状进行了阐述,介绍了各方案针对上述技术问题的解决方式和思路。最后总结了翼身融合布局在未来大型民机上应用所面临的挑战,并对新构型的发展趋势以及前景进行了展望,对我国未来民机新构型方案的发展具有一定的参考价值。     

翼身融合布局飞机总体参数对气动性能的影响

翼身融合布局是一种极具潜力和竞争力的新布局型式,该种布局型式飞机的总体参数对其自身的气动性能有重要影响,有必要开展相关的影响规律研究。本文基于某一翼身融合布局飞机概念方案,采用快速数值方法模拟了不同气动外形的高速流动,分析了总体参数(主要包括机翼面积、展弦比和外翼前缘后掠角)等对飞机高速气动性能的影响。结果表明,可以通过改变展弦比和机翼面积显著地改善气动性能,但未发现外翼前缘后掠角的改变与气动性能的改善有明显的关联。