民機(jī)翼身融合布局發(fā)展分析與展望

孫玉凱 王元元 程文淵 王妙香 楊敏

摘 要：未來航空業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的要求越來越高，翼身融合（BWB）布局因具有巡航效率高、飛行噪聲低等優(yōu)勢(shì)成為未來民機(jī)的理想解決方案之一，并受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。本文簡(jiǎn)要梳理了國(guó)內(nèi)外翼身融合布局技術(shù)的發(fā)展歷程、主要進(jìn)展，分析歸納了翼身融合布局技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，總結(jié)了主要關(guān)鍵技術(shù)，提出民機(jī)翼身融合布局設(shè)計(jì)需進(jìn)一步收斂、市場(chǎng)和商業(yè)前景需細(xì)致評(píng)估的發(fā)展思路建議。

關(guān)鍵詞：翼身融合； 亞聲速客機(jī)； 飛行器設(shè)計(jì)； 氣動(dòng)外形； 大型民機(jī)

中圖分類號(hào)：V271.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.07.001

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和能源問題日益嚴(yán)重，全球航空業(yè)對(duì)“綠色航空”的要求不斷提升，未來民機(jī)將充分貫徹“綠色航空”發(fā)展理念，以“節(jié)能、減排、降噪”為核心，滿足未來經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性要求。自1947年波音B-47轟炸機(jī)奠定高亞聲速大型噴氣式運(yùn)輸機(jī)/客機(jī)的常規(guī)“管-翼”（tube and wings，TAW）布局形式后，在翼梢小翼、超臨界翼型等技術(shù)的加持下，大型民機(jī)的燃油效率持續(xù)提升。但發(fā)展到當(dāng)前，常規(guī)“管-翼”布局的氣動(dòng)效率潛力幾乎被“挖掘”殆盡。

翼身融合（BWB）布局有望成為滿足“綠色航空”需求的理想解決方案之一。BWB布局是指機(jī)翼和機(jī)身高度融合的升力體飛行器布局[1]，其中機(jī)身也產(chǎn)生升力，通過機(jī)身和機(jī)翼融合提升空氣動(dòng)力學(xué)效率。BWB布局在飛行效率、節(jié)能減排、噪聲控制等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，更易滿足民用飛機(jī)使用要求，已成為未來民機(jī)較為理想的選擇。

本文簡(jiǎn)要梳理國(guó)內(nèi)外BWB布局技術(shù)的發(fā)展歷程、主要進(jìn)展，分析歸納BWB布局技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，總結(jié)主要關(guān)鍵技術(shù)與近年來的研究熱點(diǎn)，并對(duì)未來發(fā)展提出思路建議，為中國(guó)未來民機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究歷程

雖然20世紀(jì)20—40年代許多研究者對(duì)BWB布局技術(shù)進(jìn)行了艱辛的探索和實(shí)踐，但完整的BWB布局概念由麥道公司的Liebeck在1988年首次提出[1]。

經(jīng)過多年發(fā)展，BWB布局已經(jīng)從概念探索發(fā)展到應(yīng)用研究階段[2]。最初的BWB布局概念探索集中在800～1000座級(jí)的超大型客機(jī)上，如美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的第一代和第二代BWB布局、歐盟的VELA1和VELA2概念機(jī)等；之后，出于對(duì)航運(yùn)市場(chǎng)需求、綠色航空等因素的綜合考慮，探索設(shè)計(jì)了250～450座級(jí)概念，如波音BWB-450概念方案、X-48B/C驗(yàn)證機(jī)等[3]。近年來，BWB布局在設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)力、噪聲抑制，以及適航符合性等方面的研究不斷取得突破[4]，涌現(xiàn)出許多具有代表性的BWB布局概念[5-6]。

1.1 美國(guó)

自麥道公司工程師們提出MD-11翼身融合布局飛機(jī)以來，美國(guó)就穩(wěn)步推進(jìn)BWB布局技術(shù)的研究和驗(yàn)證工作，其主要項(xiàng)目如圖1所示。1994年，在NASA蘭利中心的資助下，麥道公司完成了麥道第二代BWB方案，是斯坦福大學(xué)BWB-17驗(yàn)證機(jī)的基礎(chǔ)。1997—2002年，波音公司發(fā)布BWB-450方案，與A380-700相比，其空載重量（質(zhì)量）降低19%，最大起飛重量降低18%，推力需求降低19%，燃油消耗降低32%[5]。之后，在NASA N+2/N+3計(jì)劃下，波音公司亞聲速超綠色飛機(jī)研究團(tuán)隊(duì)推出了其BWB布局方案SUGAR Ray，波音-麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在SAX-40的基礎(chǔ)上提出了H3.2系列布局方案，其中的H3方案部分滿足N+2代指標(biāo)，但距離N+3代節(jié)能和噪聲指標(biāo)還有一定的差距，隨后NASA提出了有望滿足N+3代指標(biāo)的分布式電推進(jìn)概念方案N3-X[2]。C. L. Nickol和W. J. Haller等[7]在NASA環(huán)境責(zé)任航空（ERA）計(jì)劃的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三類不同座級(jí)的混合布局飛機(jī)：HWB216-GTF、HWB301-GTF和HWB400-GTF，并評(píng)估了其性能潛力。在NASA新航空地平線（NAH）計(jì)劃中，洛克希德-馬?。↙M）公司基于混合翼身（HWB）布局軍用運(yùn)輸機(jī)HWB-757和HWB-777方案，發(fā)展了商用貨機(jī)布局方案（見圖2），并分析了市場(chǎng)對(duì)此類BWB布局飛機(jī)的需求[8]。

飛行試驗(yàn)方面，美國(guó)在波音BWB-450概念方案的基礎(chǔ)上，發(fā)展了X-48系列BWB驗(yàn)證機(jī)（見圖3），在布局可行性驗(yàn)證、多操縱舵面耦合控制、噪聲、排放、油耗測(cè)試等方面獲得了大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為BWB布局的應(yīng)用研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 歐洲

21世紀(jì)以來，歐盟在第五研發(fā)框架計(jì)劃（fifth framework programmer，F(xiàn)P5）下持續(xù)支持BWB等新概念布局研究，其中，空客公司牽頭開展了翼身融合布局多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)（MOB）、高效大型民機(jī)（VELA）、新飛機(jī)概念研究（NACRE）、柔型飛機(jī)主動(dòng)控制 2020（ACFA 2020）等項(xiàng)目的研究，如圖4所示。

VELA項(xiàng)目[9]針對(duì)750座級(jí)的BWB布局開展方案研究，總共發(fā)展了三種方案，即VELA 1、VELA 2 及 VELA 3。VELA項(xiàng)目以工作包的方式向各研究機(jī)構(gòu)分發(fā)任務(wù)，來自歐洲的研發(fā)機(jī)構(gòu)、航空制造商及高校等共17個(gè)參與方合作開展技術(shù)攻關(guān)。VELA的延伸項(xiàng)目——NACRE項(xiàng)目[10]由空客公司主導(dǎo)，來自歐洲的36個(gè)合作方共同參與。該項(xiàng)目以VELA 3作為基準(zhǔn)方案，通過重新設(shè)計(jì)中機(jī)身翼型以及外翼段的扭轉(zhuǎn)，并進(jìn)行整體設(shè)計(jì)優(yōu)化，形成了最終方案NACRE FW-2。與原始方案相比，NACRE FW-2將每名乘客的可用空間提升了15%，升阻比提升了4.5%，最大起飛重量降低了6.45%，輪擋燃油降低了18.9%，進(jìn)一步提升了整體性能[5]。

歐盟緊接著布局了ACFA 2020項(xiàng)目[11]，該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款新型高效的450座級(jí)BWB布局客機(jī)，并且提供穩(wěn)健和自適應(yīng)的多通道控制架構(gòu)，減輕負(fù)載并改善乘客舒適性和飛行操縱質(zhì)量。

2015—2018年，德國(guó)航空航天研究院（DLR）牽頭承擔(dān)了歐盟“地平線2020”框架下的AGILE項(xiàng)目[12]，并在項(xiàng)目第三階段內(nèi)完成了包括BWB布局在內(nèi)的7種非常規(guī)布局方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作。其中，BWB布局方案如圖5所示，是一款450座級(jí)的大型客機(jī)，載荷59t，最大載荷下航程為8500km，巡航馬赫數(shù)為0.85，最大巡航高度約13100m，起飛距離2950m。AGILE后續(xù)項(xiàng)目—AGILE 4.0項(xiàng)目[13]周期從2019年至2023年，將繼續(xù)在此方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

歐盟于2018—2021年開展了ENABLEH2項(xiàng)目[14]研究，通過推動(dòng)液氫等相關(guān)技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)無二氧化碳液態(tài)氫空運(yùn)，并且提升安全性和可持續(xù)性。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在研究中基于NASA N3X-Max概念，提出了BWB布局的液氫動(dòng)力概念方案，如圖6所示。該項(xiàng)目將推動(dòng)液氫動(dòng)力飛機(jī)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)到2030—2035年達(dá)到技術(shù)成熟度6級(jí)。

除歐盟外，英國(guó)克蘭費(fèi)爾德大學(xué)提出其BWB布局概念飛機(jī)Cranfield BWB[15]，法國(guó)于2015—2019年研究并發(fā)布 440座級(jí)BWB布局概念飛機(jī)CICAV[16]。俄羅斯在2014年和2018年分別給出了兩款BWB布局概念飛機(jī)：FW-200[17]和BWB-325[18]。

1.3 中國(guó)

近年來，國(guó)內(nèi)BWB布局民機(jī)研究持續(xù)深化，西北工業(yè)大學(xué)（見圖7）、中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司（見圖8）等高等院校和科研機(jī)構(gòu)在總體、氣動(dòng)布局、結(jié)構(gòu)、飛行控制等方面均開展了大量研究。但總體上，我國(guó)在BWB布局民機(jī)方面的研究起步較晚。近年來，雖然在關(guān)鍵技術(shù)梳理、氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得一定進(jìn)展，但總體進(jìn)展較慢，飛行驗(yàn)證開展較少且驗(yàn)證能力有限，相比國(guó)外仍處于BWB布局概念方案探索階段，BWB布局預(yù)先研究還未完全展開。相比之下，波音、空客等公司開展BWB布局預(yù)先研究的時(shí)間為2000年前后。

2 代表性項(xiàng)目進(jìn)展

2022年5月，加拿大龐巴迪公司公布了一段EcoJet項(xiàng)目視頻，視頻中展示了一款BWB布局的公務(wù)機(jī)，如圖9所示。EcoJet通過BWB設(shè)計(jì)達(dá)到減排50%的目標(biāo)，龐巴迪的目標(biāo)是在20年內(nèi)將EcoJet投入應(yīng)用。EcoJet項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了一段時(shí)間，龐巴迪公司為此制作了一個(gè)1.2～1.5m長(zhǎng)的縮比模型用于風(fēng)洞試驗(yàn)。2022年9月，該公司制作了翼展6m、20%尺寸的EcoJet無人駕駛縮比驗(yàn)證機(jī)，并開始進(jìn)行飛行測(cè)試。

美國(guó)納蒂魯斯（Natilus）創(chuàng)業(yè)公司正在研制一款翼身融合的無人駕駛貨機(jī)N3.8T，該貨機(jī)采用BWB布局，載貨量比同等起飛重量的常規(guī)布局飛機(jī)高出60%，每磅的成本和二氧化碳排放量減少50%。如圖10（a）所示，納蒂魯斯N3.8T無人駕駛貨機(jī)最大起飛重量為8618kg，最大航程為1667km，設(shè)計(jì)可裝載三個(gè)LD-3航空集裝箱，最大有效載荷為3855kg。該機(jī)采用BWB布局，平直翼，雙垂尾，在機(jī)身尾部裝配有兩臺(tái)普·惠公司PT6A-67D渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，功率約為900kW。該機(jī)的1/10縮比模型于2022年5月起開始進(jìn)行一系列風(fēng)洞試驗(yàn)，如圖10 （b）所示。同時(shí)，納蒂魯斯公司已經(jīng)開始生產(chǎn)N3.8T貨機(jī)原型機(jī)，目標(biāo)是于2023年底首飛，預(yù)計(jì)于2025年取得美國(guó)FAR-23部認(rèn)證并開始交付，首批飛機(jī)將交付美國(guó)沃拉圖斯航空（Volatus Aerospace）公司。除N3.8T外，納蒂魯斯公司計(jì)劃研發(fā)一系列無人駕駛貨機(jī)，包括具有跨聲速和洲際航程能力的66t級(jí)、110t級(jí)和130t級(jí)貨機(jī)。

美國(guó)DZYNE技術(shù)公司在NASA的新地平線項(xiàng)目支持下，推出了BWB布局支線客機(jī)Ascent 1000的概念方案，如圖11所示，并給出了Ascent 1000的具體構(gòu)型描述[19-20]。DZYNE重新設(shè)計(jì)了Ascent 1000的起落架位置和收放方式，如圖12所示，將雙層客/貨艙設(shè)計(jì)優(yōu)化為單層客/貨艙設(shè)計(jì)，顯著降低了全機(jī)各剖面的厚度分布需求，優(yōu)化了氣動(dòng)外形。Ascent 1000支線客翼展約43.0m，長(zhǎng)約29.5m，高約7.3m，巡航馬赫數(shù)為0.8，飛行航程約5926km，裝備有兩臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其整體內(nèi)部布局如圖13所示。在Ascent 1000的基礎(chǔ)上，DZYNE公司還探索了對(duì)標(biāo)波音737 MAX 8的165座客機(jī)Ascent 1600和對(duì)標(biāo)波音737 MAX 9的200座客機(jī)Ascent 2000。

在2018年集中公布進(jìn)展情況后，近年來針對(duì)Ascent 1000的相關(guān)報(bào)道較少，其官方網(wǎng)站也少有相關(guān)進(jìn)展動(dòng)態(tài)更新[21]，但DZYNE公司的Ascent 1000設(shè)計(jì)是同類產(chǎn)品中技術(shù)成熟度最高的飛機(jī)[22]。

2017年，英國(guó)初創(chuàng)公司Samad Aerospace啟動(dòng)混合動(dòng)力垂直起降公務(wù)機(jī)eStarling的研制計(jì)劃，其方案如圖14所示。2019年底，該公司表示正在制造eStarling的50%尺寸縮比驗(yàn)證機(jī)，此前，該公司的10%、20%尺寸縮比驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證了起降性能、懸停性能和懸停轉(zhuǎn)平飛的能力。2021年3月，該機(jī)的第二架50%尺寸縮比原型機(jī)完成首飛測(cè)試。該機(jī)計(jì)劃在2023年進(jìn)行首次飛行，2025年底之前完成認(rèn)證和首次交付。

eStarling公務(wù)機(jī)售價(jià)650萬美元，翼展為15m，具備垂直起降（VTOL）能力，巡航速度為463km/h，最大起飛重量為3175kg，航程為1000km。該機(jī)由5個(gè)電動(dòng)旋翼提供動(dòng)力：兩個(gè)可傾轉(zhuǎn)旋翼位于機(jī)翼后緣根部，提供垂直起降和巡航期間的動(dòng)力；兩個(gè)垂向旋翼位于翼身融合體中間，提供垂直起降時(shí)的升力；一個(gè)位于T形尾翼提供懸停轉(zhuǎn)平飛時(shí)需要的動(dòng)力。

空客公司在2020年的新加坡航展上展示了一款BWB布局技術(shù)驗(yàn)證機(jī)“游俠”（MAVERIC），主要用于驗(yàn)證BWB布局飛行控制技術(shù)，獲取相應(yīng)的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖15所示?！坝蝹b”驗(yàn)證機(jī)將比常規(guī)布局飛機(jī)減少多達(dá)20%的燃料消耗，該機(jī)全機(jī)長(zhǎng)2.0m，寬3.2m，機(jī)翼面積約為2.25m2，由兩個(gè)涵道發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力，為了提高穩(wěn)定性和操縱性，該機(jī)保留了兩個(gè)平行垂尾[23]。該驗(yàn)證機(jī)于2017年開始研發(fā)，在2019年6月首次升空，空客公司表示正在考慮其他的推進(jìn)方式，如曾應(yīng)用在EcoPulse驗(yàn)證機(jī)[24]上的分布式混合動(dòng)力技術(shù)。

2020年9月，空客公司發(fā)布了代號(hào)為ZEROe的3型氫能源概念飛機(jī)，包括采用氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的單通道客機(jī)、采用氫燃料渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的支線客機(jī)以及采用氫燃料分布式推進(jìn)的BWB布局客機(jī)，如圖16所示。其中，ZEROe翼身融合布局客機(jī)以“游俠”積累的技術(shù)成果為基礎(chǔ)開展研制，最多可搭載200名乘客，航程約為3074km。2020年空客公司在新加坡航展上公布的ZEROe翼身融合布局飛機(jī)如圖17（a）所示，與“游俠”相比，該機(jī)取消了垂直尾翼，采用了分布式氫動(dòng)力混合推進(jìn)。但是，在2022年新加坡航展上，空客公司修改并公布了最新的概念布局，如圖17（b）所示。與2020年相比，該布局更接近“游俠”驗(yàn)證機(jī)，放棄了分布式推進(jìn)方案，采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過改進(jìn)的設(shè)計(jì)具有更長(zhǎng)、更寬的整體機(jī)艙，增加了垂尾，發(fā)動(dòng)機(jī)位置更靠后，既可以減小噪聲也可以實(shí)現(xiàn)邊界層抽吸。

2022年5月，德國(guó)航空航天研究院牽頭完成了歐盟《地平線2020》框架下的飛機(jī)降噪技術(shù)及相關(guān)環(huán)境影響（ARTEM）項(xiàng)目，該項(xiàng)目為期4年，致力于開發(fā)新型降噪技術(shù)。該項(xiàng)目面向2050年遠(yuǎn)程商用飛機(jī)，提出了一種400座級(jí)的BWB布局方案BOLT，如圖18所示。該布局巡航馬赫數(shù)為0.84，巡航高度約為13100m（43000ft），航程約為10186km，采用兩個(gè)超大涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（涵道比> 16）。另外，該項(xiàng)目還提出了一種100座級(jí)的電推進(jìn)BWB布局方案REBEL，致力于中短程商業(yè)航線。

西北工業(yè)大學(xué)在2023年1月30日宣布翼身融合民機(jī)技術(shù)研究取得重大突破，其翼身融合民機(jī)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)的NPU-BWB-300翼身融合縮比試驗(yàn)機(jī)（見圖19）完成試驗(yàn)試飛，進(jìn)行了試驗(yàn)機(jī)的起降、通場(chǎng)、規(guī)劃航線自主飛行等科目測(cè)試。NPU-BWB-300-Ⅱ方案（見圖7）在國(guó)際上率先提出“后體加長(zhǎng)BWB布局”概念，采用單排16座設(shè)計(jì)，機(jī)身兩側(cè)均勻布置了8個(gè)艙門，該方案的綜合性能處于國(guó)際領(lǐng)先水平，達(dá)到或接近NASA N+2寬體客機(jī)發(fā)展目標(biāo)。

3 技術(shù)特點(diǎn)分析

歐盟議會(huì)運(yùn)輸和旅游委員會(huì)發(fā)布的《到2050年實(shí)現(xiàn)“綠色協(xié)議”目標(biāo)的投資情景和路線圖》中指出，BWB布局目前技術(shù)成熟度為3～4級(jí)，其技術(shù)可行時(shí)間預(yù)計(jì)到2040年之后，即當(dāng)前BWB布局技術(shù)還處于預(yù)先研究或先期技術(shù)開發(fā)階段[25]。

3.1 優(yōu)勢(shì)分析

與常規(guī)“管—翼”布局飛機(jī)相比，BWB布局具有諸多優(yōu)勢(shì)。目前研究顯示，翼身融合設(shè)計(jì)已從250～450座級(jí)擴(kuò)展到較?。?00座）座級(jí)支線機(jī)/公務(wù)機(jī)及超大座級(jí)客機(jī)，均顯示出了優(yōu)越的綜合性能優(yōu)勢(shì)[1]。

3.1.1 巡航效率增加

在相同裝載要求下，BWB布局能夠降低全機(jī)浸潤(rùn)面積從而減小摩擦阻力，與常規(guī)“管-翼”布局相比，BWB布局的巡航效率可以提高15%～20%，油耗更少，具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保優(yōu)勢(shì)。如圖20所示，幾種具有代表性的BWB布局民機(jī)方案的巡航效率因子已達(dá)20以上，并且具有低噪聲、低排放、輕重量的潛力[1]。與大座級(jí)BWB相比，由于BWB的每座浸潤(rùn)面積優(yōu)勢(shì)隨座級(jí)的減小而逐漸降低，小座級(jí)BWB氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)不明顯[26]。

在近期的一項(xiàng)研究中，S.Ammar等[27]設(shè)計(jì)了一型200座級(jí)BWB布局客機(jī)，并與A320進(jìn)行了性能比較。從表1可知，與A320相比，優(yōu)化后的BWB布局飛機(jī)升阻比提高了22%，最大起飛重量減少了7.5%，BWB布局更大的升力面和更小的質(zhì)量使機(jī)翼載荷更低，并且起飛距離減少了37.6%，布局優(yōu)勢(shì)明顯。

3.1.2 飛行噪聲降低

噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)苛與民航運(yùn)營(yíng)規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)促使降噪技術(shù)成為目前民機(jī)發(fā)展的熱點(diǎn)[2]，相關(guān)研究表明，BWB本身就提供了一個(gè)低噪聲的布局特征，具有巨大降噪潛力。BWB布局的發(fā)動(dòng)機(jī)通常安裝在機(jī)身背部，寬大的中機(jī)身和后上置動(dòng)力系統(tǒng)提供了出色的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲遮蔽能力，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲不會(huì)通過機(jī)翼下表面反射，發(fā)動(dòng)機(jī)引起的噪聲排放得以降低[2]。

3.1.3 載荷分布更加合理

如圖21所示，常規(guī)布局客機(jī)的大部分慣性載荷集中在兩個(gè)機(jī)翼之間狹窄的機(jī)身內(nèi)，而機(jī)身本身又不產(chǎn)生升力，因此機(jī)翼要承受較大的剪力和彎矩。相反，BWB布局飛機(jī)的結(jié)構(gòu)載荷沿著機(jī)翼橫向分布，其中機(jī)身提供的升力就占了全機(jī)總升力的20%以上，不僅氣動(dòng)載荷分布和慣性載荷分布相對(duì)于常規(guī)布局更為合理，而且機(jī)翼承受的剪力和彎矩大約是常規(guī)布局的一半，從而有降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的潛力。

3.2 挑戰(zhàn)分析

3.2.1 縱向、航向操縱穩(wěn)定性難度大

BWB布局縱向、航向操縱能力偏低，其質(zhì)量分布和外形相比常規(guī)布局在縱向、航向上更加不穩(wěn)定[2]。目前諸如V形尾翼、延長(zhǎng)機(jī)身等方法雖然能夠提高BWB布局飛機(jī)的穩(wěn)定性，但一定程度上會(huì)增加飛機(jī)整體重量、增大飛機(jī)阻力、降低巡航性能優(yōu)勢(shì)。如何在發(fā)揮BWB布局巡航性能優(yōu)勢(shì)下，提出滿足縱向、航向操縱穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方案仍是一大挑戰(zhàn)。

3.2.2 寬短中機(jī)身客艙布局面臨挑戰(zhàn)

一方面，與常規(guī)“管”型機(jī)身相比，BWB布局飛機(jī)中機(jī)身寬短，導(dǎo)致每排座位較多，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行滾轉(zhuǎn)飛行時(shí)，外側(cè)座椅的乘客將承受較大過載，將影響乘客的舒適度；另一方面，BWB布局由于需要中機(jī)身提供升力，其中機(jī)身設(shè)計(jì)必然遵循空氣動(dòng)力學(xué)原理，會(huì)在一定程度上約束客艙布局設(shè)計(jì)。對(duì)于大型干線翼身融合客機(jī)來說，每排座位在24座以上，飛機(jī)越大，外側(cè)乘客承受的載荷越大，飛機(jī)滾轉(zhuǎn)的加速度與客艙外視野的缺失效果相疊加，可能會(huì)使部分乘客感到不適；而對(duì)于中小型支線翼身融合客機(jī)來說，需要重新設(shè)計(jì)客艙布局方案以滿足適航和氣動(dòng)要求，常規(guī)機(jī)身采用的“上層客艙+下層貨艙”雙層客艙布局或?qū)е翨WB布局方案的中機(jī)身過厚，降低方案氣動(dòng)效率。另外，翼身融合相對(duì)集中的客艙布局也對(duì)緊急逃生方案有較大影響，帶來安全性挑戰(zhàn)。

3.2.3 起降性能要求更高

下一代民機(jī)對(duì)起降性能提出了更高的要求，使BWB布局的起降性能面臨較大挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步提升。與常規(guī)布局相比，BWB布局的中機(jī)身相對(duì)較短，縱向配平能力有限，加之噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)提高，限制了傳統(tǒng)高增升裝置（如傳統(tǒng)多段增升裝置）的使用，導(dǎo)致現(xiàn)有多種BWB布局不容易滿足下一代民機(jī)起降性能指標(biāo)[2]。NASA ERA計(jì)劃的研究結(jié)果顯示，其代表性方案的油耗、噪聲、排放三項(xiàng)指標(biāo)均可實(shí)現(xiàn)N+ 2發(fā)展目標(biāo)，唯獨(dú)起降場(chǎng)長(zhǎng)指標(biāo)未納入其研究范疇，一定程度上暗示短期內(nèi)尚難以滿足起降指標(biāo)。波音公司和NASA于2017年重啟的X-48C驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃，重點(diǎn)研究BWB布局短距起降問題，也充分反映了該問題的復(fù)雜性和難度。為此，一是優(yōu)化BWB布局設(shè)計(jì)，提高總體氣動(dòng)布局的起降特性；二是設(shè)計(jì)小低頭力矩的新型高增升系統(tǒng)；三是發(fā)展主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，配合高增升系統(tǒng)共同提高起降性能。

3.2.4 氣動(dòng)彈性問題更加嚴(yán)重

一是需要注意BWB布局的激波俯仰振蕩問題。當(dāng)飛機(jī)接近聲速時(shí)，與常規(guī)布局飛機(jī)僅有機(jī)翼部分受到激波俯仰振蕩相比，BWB布局的中機(jī)身上表面也可能會(huì)出現(xiàn)局部達(dá)到超聲速的情況，其面臨的激波俯仰振蕩問題可能更為嚴(yán)重，在進(jìn)行中機(jī)身設(shè)計(jì)過程中需要通過合理的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)規(guī)避。二是需要注意BWB布局的體自由度顫振問題。三是需要注意BWB布局的陣風(fēng)響應(yīng)問題。與常規(guī)布局飛機(jī)相比，BWB布局飛機(jī)陣風(fēng)響應(yīng)更加敏感，其中機(jī)身更容易受到陣風(fēng)影響，進(jìn)而直接影響乘客的舒適度。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的工作，本文對(duì)BWB布局涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)/關(guān)鍵使能技術(shù)做了歸納和梳理，如圖22所示。

BWB布局的關(guān)鍵技術(shù)涉及總體設(shè)計(jì)技術(shù)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、降噪技術(shù)、推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)以及試驗(yàn)與試飛技術(shù)。BWB布局具有的氣動(dòng)效率高、潛在噪聲屏蔽等優(yōu)勢(shì)，是機(jī)身、機(jī)翼、舵面、引擎高度集成的結(jié)果。因此，BWB布局飛機(jī)的設(shè)計(jì)具有多學(xué)科集成的特性，即需要通過多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO），在不同專業(yè)約束之間權(quán)衡，得出翼身融合設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，這不僅需要開發(fā)全新的、適用于BWB布局的設(shè)計(jì)工具，也需要通過試驗(yàn)與試飛測(cè)試和驗(yàn)證積累設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

（1） 總體設(shè)計(jì)技術(shù)

BWB布局的總體設(shè)計(jì)技術(shù)主要涉及座級(jí)與平面形狀設(shè)計(jì)技術(shù)、客艙/貨艙設(shè)計(jì)技術(shù)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與重量估算技術(shù)等。其中，座級(jí)設(shè)計(jì)決定了BWB飛機(jī)的尺寸、市場(chǎng)定位和平面形狀，小、中、大座級(jí)的BWB布局特征均不相同[2]；BWB布局的客艙/貨艙設(shè)計(jì)難度高于傳統(tǒng)TAW布局，需要兼顧氣動(dòng)外形、動(dòng)力系統(tǒng)以及操縱面布置等；整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與重量估算技術(shù)主要面臨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)評(píng)估方法的挑戰(zhàn)，BWB布局實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較少。

（2） 氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)

BWB布局的氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)主要涉及氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方法、增生裝置設(shè)計(jì)技術(shù)、飛機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)集成設(shè)計(jì)技術(shù)、主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)、邊界層抽吸技術(shù)、氣動(dòng)載荷設(shè)計(jì)與優(yōu)化和溝槽壁面技術(shù)等。由于BWB布局具有翼身融合程度較高、設(shè)計(jì)約束強(qiáng)、多學(xué)科耦合緊密等特點(diǎn)，傳統(tǒng)TAW布局的氣動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并不能直接用于BWB布局氣動(dòng)設(shè)計(jì)，目前基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)是BWB布局方案設(shè)計(jì)的主流方法[2]。大部分BWB布局飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)一般布置在機(jī)身后部，有背撐式和嵌入式兩種方式，可以與邊界層抽吸技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提升飛行性能。

（3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

BWB布局的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)主要涉及全機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)技術(shù)、整機(jī)/部件重量評(píng)估技術(shù)、先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)、復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、非圓截面客艙/貨艙增壓技術(shù)、拉擠桿縫合高效一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（PRSEUS）[28-29]等。其中，PRSEUS全復(fù)材結(jié)構(gòu)概念通過高度集成的連接方式顯著降低結(jié)構(gòu)重量，相比早期復(fù)合夾層板方案能夠減重28%，是一種具有工程應(yīng)用前景的技術(shù)途徑[2]。

（4） 試驗(yàn)試飛技術(shù)

BWB布局的試驗(yàn)試飛技術(shù)主要涉及全機(jī)地面加載方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)、BWB布局縮比模型設(shè)計(jì)與加工技術(shù)、BWB布局風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)、飛行試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)等，其技術(shù)難點(diǎn)在于縮比模型的相似原理。通過試驗(yàn)試飛技術(shù)，對(duì)BWB布局的穩(wěn)定性、操縱性、控制算法、聲學(xué)特性、氣動(dòng)特性等進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，推動(dòng)技術(shù)成熟和向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

（5） 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

BWB布局的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)主要涉及發(fā)動(dòng)機(jī)布局設(shè)計(jì)技術(shù)（背撐式/嵌入式）、分布式推進(jìn)系統(tǒng)與油電混合技術(shù)等。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)布局設(shè)計(jì)技術(shù)需要與BWB總體和氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案一致；分布式推進(jìn)系統(tǒng)與油電混合技術(shù)主要針對(duì)可能會(huì)采用混合動(dòng)力/全電分布式推進(jìn)的BWB布局方案。

（6） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

BWB布局的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)主要涉及舵面布置與控制策略設(shè)計(jì)技術(shù)、飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制分配策略等，是BWB布局設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于BWB布局與傳統(tǒng)TAW布局存在顯著差異，不能直接沿用，其控制方案、舵面布局需要重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

（7） 降噪技術(shù)

BWB布局的降噪技術(shù)主要涉及機(jī)體布局設(shè)計(jì)降噪技術(shù)（機(jī)體遮蔽技術(shù)等）、發(fā)動(dòng)機(jī)流道降噪修型和聲學(xué)處理、起飛/進(jìn)近航跡優(yōu)化設(shè)計(jì)、部件降噪技術(shù)（靜音制動(dòng)、靜音增升等）等。BWB布局降噪設(shè)計(jì)的核心在于盡可能提高飛機(jī)本體低速性能并發(fā)展更安靜、高效的動(dòng)力系統(tǒng)[2]。

4 總結(jié)及展望

本文系統(tǒng)梳理了國(guó)內(nèi)外民機(jī)BWB布局技術(shù)的發(fā)展歷程和近年來的主要進(jìn)展，分析了技術(shù)優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，并歸納了BWB布局的關(guān)鍵技術(shù)。展望未來，對(duì)后續(xù)研究提出以下三點(diǎn)建議：

（1）全面開展BWB布局客機(jī)乘坐和飛行安全性研究

目前，美軍B-2隱身轟炸機(jī)已服役多年，B-21隱身轟炸機(jī)也于2022年12月2日公布，兩型隱身轟炸機(jī)均采用翼身融合無尾布局。由于客機(jī)需要同時(shí)滿足安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、舒適及適航符合性等要求[2]，考慮到BWB布局可能會(huì)存在的乘客安全性（如逃生方案）和舒適性（如滾轉(zhuǎn)載荷過大）的問題，應(yīng)在現(xiàn)役軍用BWB飛機(jī)基礎(chǔ)上，借鑒軍機(jī)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)乘客逃生、BWB飛行控制等客艙安全和飛行安全相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，盡快提高技術(shù)成熟度，加速發(fā)展BWB布局客機(jī)。

（2）總體布局設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步收斂

常規(guī)“管-翼”布局民機(jī)經(jīng)過幾十年的探索和優(yōu)化，已經(jīng)在氣動(dòng)外形、系統(tǒng)部件布局方案上充分收斂，不同座級(jí)飛機(jī)分別探索出近乎最優(yōu)的布局方案。例如，現(xiàn)役干支線民用客機(jī)大多采用發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)機(jī)翼吊裝布局。但對(duì)于BWB布局來說，其針對(duì)不同座級(jí)飛機(jī)的氣動(dòng)外形、系統(tǒng)部件布局方案仍需進(jìn)一步收斂。一方面，通過預(yù)先研究進(jìn)一步收斂的總體布局優(yōu)勢(shì)方案將為型號(hào)探索更確定的初始設(shè)計(jì)狀態(tài)；另一方面，隨著總體布局方案的收斂，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和重量估算能盡早介入，積累設(shè)計(jì)和分析經(jīng)驗(yàn)，加速BWB布局飛機(jī)的型號(hào)研制。

（3）運(yùn)營(yíng)的適用性仍需細(xì)致評(píng)估

一方面，BWB布局技術(shù)的應(yīng)用會(huì)帶來新的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)和適航挑戰(zhàn)，也面臨起降、近進(jìn)場(chǎng)航跡不適應(yīng)，機(jī)場(chǎng)設(shè)備不兼容，維保服務(wù)不匹配等具體問題，這些問題和挑戰(zhàn)可能成為BWB布局飛機(jī)投入運(yùn)營(yíng)的障礙；另一方面，波音、空客、商飛等公司當(dāng)前和今后一段時(shí)間推出的新機(jī)型/升級(jí)機(jī)型仍然是“管—翼”常規(guī)布局飛機(jī)，其配套服務(wù)和管理是圍繞常規(guī)布局飛機(jī)設(shè)置的，這些飛機(jī)很可能服役到2050年，也會(huì)擠壓BWB布局民機(jī)的市場(chǎng)占比。另外，BWB布局飛機(jī)的廣泛應(yīng)用需要全球民航業(yè)合力共同推動(dòng)，也是各大航空制造商的競(jìng)爭(zhēng)高點(diǎn)，在合作與競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中的研發(fā)進(jìn)程也最終決定了BWB布局飛機(jī)真正問世的時(shí)間。

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Analysis and Prospect of Blended-Wing-Body Configuration Technology Development of Civil Aircraft

Sun Yukai， Wang Yuanyuan， Cheng Wenyuan， Wang Miaoxiang， Yang Min Aviation Industry Development Research Center of China， Beijing 100029， China

Abstract： The increasing severity of energy and environmental issues has put forward higher requirements for the rapidly developing global aviation industry. The Blended-Wing-Body （BWB） configuration is expected to become one of the practically solutions for future civil aircraft due to its advantages such as high cruise efficiency and low flight noise， which has attracted widespread attention worldwide. This paper briefly reviews the development process and main progresses of BWB configuration development around the world. The advantages and challenges of BWB are analized. The critical technologies are summarized. The conclusion and future work are proposed that the design solution of BWB civil aircraft configuration needs to be further converged， as well as the prospects of the business and the market need to be carefully evaluated.

Key Words： BWB； subsonic airliner； aircraft design； aerodynamic shape； large civil aircraft