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超声速公务机:重燃急速飞行

欧美从未中断对超声速技术的研究

超声速喷气公务机重燃极速飞行之光

20世纪60年代,英国和法国合作研制出堪称杰作的“协和”超声速客机。“协和”飞机于1976~2003年进行商业运营,开创了人类超声速空中旅行的新时代,在航空发展历史上书写了不朽的篇章。“协和”飞机退役之后,尽管美欧发达国家对于超声速运输机(SST)研究几乎没有间断,但是由于SST技术难题难以有效突破,并且耗费巨大,因此在本世纪上半叶全世界恐怕都不会有新的超声速客机研制成功并投入运行。对世人而言,超声速空中旅行成为遥不可及的事情,留下莫大的遗憾!

为了弥补缺憾,满足人们对于超声速空中旅行的需求,需要另辟蹊径。就是避开高难度的大型SST,转而发展技术难度相对较低、针对特定高端用户群的小型超声速喷气公务机(SupersonicBusinessJet)。可以说超声速喷气公务机点燃了21世纪上半叶超声速空中旅行的希望之光!

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超声速公务机不是玩具可以军民两用

超声速喷气公务机有一定的现实市场需求

超声速喷气公务机的基本用途是公务飞行,满足高端公务航空客户对于高速飞机的使用需求。高端公务航空客户包括富豪、政要、明星、高管等。与常规亚声速喷气公务机类似,超声速喷气公务机也可以用于军用/特殊用途等领域,如用作特种军用运输机和特殊任务平台,以及科学研究等。

除了满足人们享受超声速空中旅行的需求外,超声速喷气公务机有一定的现实市场需求。超声速喷气公务机能够以最快的速度、最快捷的方式执行公务航空运输任务。市场研究表明,公务航空高端客户对超声速喷气公务机有一定的需求。世界公务机巨头湾流公司进行了相关的超声速喷气公务机市场研究工作。目标超声速喷气公务机机型能够以超声速在陆地上空飞行,采用大尺寸客舱,航程7408km(4000nm)以上,价格0.5~1.0亿美元。市场研究表明10年期市场需求约200架。

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超声速飞行的代价就是成本较高

超声速公务机不是最终目的

破解超声速民用飞机发展所面临的各种技术难题,能够有力推动航空科学和技术的发展。超声速民用飞机一旦研制成功将可能推动航空运输的革命性发展,开创超声速旅行的新时代,未来发展前景广阔。正是因为如此,美欧航空发达国家长期持续不断开展超声速民用飞机(包括超声速运输机(SST)和超声速喷气公务机)的技术研究工作。

超声速公务机不是最终目的,而是一个突破口和一个很可能首先实现的方式。超声速客机最大的问题不在于技术难度,而是经济性。超声速飞行是有代价的,直接反映在成本较高。对于公务机用户而言,经济性当然重要,但不会有人因为经济性购买公务机,购买公务机的出发点就是快、更快,为此用户愿意付出些许金钱的代价,这样就规避了成本这一难以绕开的问题。新一代超声速技术在公务机上验证后,移植到商用客机上风险就小得多。

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超声速喷气公务机长相更“犀利”

必须将气动阻力减到最小

超声速喷气公务机以接近2倍声速的速度飞行(约为M(马赫数)1.5~2.0),而常规喷气公务机的最大速度只能达到高亚声速(约为M(马赫数)0.8~0.9)。超声速飞机和亚声速飞机差别巨大,因此超声速喷气公务机的技术特点/性能特点与常规喷气公务机有很大不同,突出表现在气动外形和总体布局等方面。

超声速喷气公务机采用适应超声速飞行(同时兼顾低速性能)的气动外形,要有较低的超声速阻力和较高的气动效率,同时要满足苛刻的环保要求(低声爆、低噪声、低排放等)。动力系统与机体实现很好匹配,在各种飞行条件下都能很好工作。对此,人们在超声速喷气公务机发展时,寻求各种解决方案,因此超声速喷气公务机的气动外形/设计方案多种多样,包括正常式布局(平尾位于主翼之后)、鸭式布局(平尾位于主翼之前),还有一些特殊布局。

但是超声速喷气公务机气动外形有一些共性的设计,如:大长细比机身,机身修长具有精心设计的流线外形,机头和机尾细长(最大限度地降低超声速阻力),占机身总长度比例很大;大后掠角、小展弦比梯形机翼(三角翼);发动机短舱较多采用翼吊和尾吊方式。内部布局:驾驶舱和客舱一般位于机身前中部;燃油装载在布置在机身中后部和机翼内侧。由于超声速飞行油耗高,载油量很大。

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超声速公务机的体型较大

成本是同等级亚声速飞机三倍

国外曾经和正在计划发展中的超声速喷气公务机在航程和内部尺寸/装载等方面大多参照亚声速远程/大型喷气公务机,如“挑战者”605、“猎鹰”900等,但速度和高度远远超过后者。主要技术参数为:任务航程约7408km(4000nm)),最大巡航速度约M1.5~2.0,最大飞行高度15000~20000m;客舱标准座椅布局为10座左右,内部尺寸较宽大,乘客可以直立行走。按照以上参数设计的超声速喷气公务机为实现超声速性能付出了高昂的重量、价格和使用成本代价,约为同等运力远程/大型喷气公务机的3倍左右。

先期发展的超声速喷气公务机之所以选择这样的参数定义,一方面,是能够覆盖除了超远程飞行之外的大多数公务航空飞行任务;另一方面,技术难度、风险和研制成本相对较低,作为超声速喷气公务机这样一类全新机型的一个发展切入点比较合适。

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超声速公务机全世界先进国家都想玩儿

各国已经进行数十年的研究

从1980年代开始,美国、前苏联/俄罗斯、欧洲国家、日本的一些飞机厂商和航空研究机构比较系统地进行了超声速喷气公务机技术研究和飞机项目发展/产品开发工作,有关单位和研究/飞机项目发展情况如下。

美国企业有湾流公司、洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁门公司、SAI(超声速宇航国际公司)、Aerion等。美国国家航空航天局(NASA)长期进行超声速飞机技术研究工作。先后有多个超声速喷气公务机发展项目。

前苏联/俄罗斯有苏霍伊设计局、图波列夫设计局和中央流体力学研究院(TsAGI)等。超声速喷气公务机项目/方案有苏霍伊S-21G(与美国湾流联合)/S-21、图波列夫图-444。法国达索公司1990年代末进行了“隼”(Falcon)SST超声速喷气公务机的方案研究。

欧盟最近发起了“高速飞机(HISAC)”项目,超声速喷气公务机技术研究是核心内容,达索、苏霍伊、阿莱尼亚、TsAGI、ONERA(法国)等企业和研究机构参与。日本宇宙航空研究开发机构JAXA和日本飞机发展公司(JADC)开展SST/超声速喷气公务机的技术研究工作。

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湾流公司的研究走在欧美最前端

打算使用F-22战斗机同级发动机

从1980年代开始,公务机巨头美国湾流公司几乎不间断地进行超声速公务机技术研究工作。前期曾经与苏霍伊合作。之后独立进行研究或与美国企业及研究机构合作。

1998年9月在范堡罗航展上,湾流公司与洛克希德·马丁公司公布联合进行了为期18~24个月的超声速公务机的可行性研究。飞机的主要技术特性:巡航速度M1.8、航程7408km(4000nm)以上,载客量8~14人。动力装置和F-22、YF-23相似,推力与普惠F119和通用电气F120同一级别的涡扇发动机。

本世纪初,湾流公司参与美国先进技术预研局的“安静超声速飞机平台”项目,预计飞机单价7000万~8000万美元。到2003年底,飞机布局演变为可变后掠翼设计,T形尾翼,后机身两侧安装发动机短舱(垂尾两侧)。设计目标数据:最大起飞重量45359kg,巡航速度M1.8,起飞场长1981m,航程8889km,噪声特性比4阶段噪声要求低10EPdB。

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湾流最可能率先造出超声速公务机

皮诺曹的长鼻子长在飞机上

湾流公司在NASA、DARPA和FAA等美国政府机构支持下深入研究了降低声爆强度的QuietSpike声爆锥技术,并进行了大量试验验证。声爆锥安装在机头,使用复合材料制造,声爆锥外形像长矛。研究验证型声爆锥主要结构包括三段不同直径的细长筒段,最前端的一段直径最细,后两段直径较大,前端都有锥形过渡段。整个声爆锥能够伸缩,前两段伸缩到第三段内。收缩时第二段前端锥形段和第一段的头部与第三段的锥形段平滑过渡,形成一个锥形体。声爆锥产生三组相互平行的激波,最后传播到地面。声爆锥形成的激波强度要低于超声速喷气飞机头部附体激波。QuietSpike声爆锥通过改变长度来实现改变声爆形状,最终实现超声速飞机的低声爆和真正安静的声爆。

2003年以来湾流公司不断完善和改进QSJ方案。2007年和2009年湾流公司公开QSJ改进方案,申报专利,并注册了Whisper的商标。2012年底在已有QSJ飞机方案基础上提出新的超声速公务机方案,主要特点:机头段增加六段式QuietSpike声爆锥,可变后掠翼设计,面积率机身。在所有厂商中,湾流公司的超声速公务机技术研究工作处于领先地位。凭借湾流公司的雄厚技术和经济实力,其超声速公务机最有可能成功。

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苏霍伊设计局不光会设计战斗机轰炸机

湾流曾表示愿与苏霍伊做朋友

苏联/俄罗斯苏霍伊设计局在战斗机发展方面享誉世界,在SBJ技术发展和机型开发方面,苏霍伊设计局也颇有建树,与战斗机相比并不逊色。苏霍伊设计局于1980年代开始系统开展了S-21超声速喷气公务机的设计和研究工作。S-21大致经历了两个阶段。第一阶段80年代末~1992年,苏霍伊设计局在独立研制的基础上与美国湾流公司合作;第二阶段是1992年之后,湾流公司退出合作之后,苏霍伊设计局继续开展研究工作,寻找合作伙伴的努力失败,S-21项目基本终止。

1980年代中期,苏霍伊设计局与湾流公司进行合作。苏霍伊设计局负责包括起落架在内的飞机设计,机体制造及电传操纵系统的研制。湾流公司也参与飞机设计,但飞机最后布局的审批权在苏霍伊设计局。湾流公司负责机载设备和系统。苏霍伊设计局与湾流公司合作的同时,前苏联留里卡发动机设计局与英国罗罗公司也开展合作。根据当初的设想罗罗公司承担一些新涡扇发动机的主要设计工作,发动机涵道比1∶1.2~1∶1.5的涡轮风扇发动机。

S-21采用鸭式布局,双发设计。发动机短舱布置在内段机翼下部后方,靠近后机身两侧,进气道截面为矩形,斜切进气口,尾喷口略突出内段机翼后缘。箭形机翼,前部为大尺寸边条翼。边条翼后面为超大弦长、大面积机翼内段,向后延伸至后机身后部尾锥前端位置。后掠角、大面积内段。中等后掠角小面积梯形机翼外段。内段和外段机翼前缘都带有襟翼。翼梢上下小翼/全动端板,用于提供航向稳定和航向控制。机翼后缘各有两块副翼/襟翼。细长纺锤体流线形机身,机身截面近似圆形。数字式电传操纵系统。前三点可收放式起落架,全部装单轮。动力装置为两台涡扇发动机,单台推力73.5kN(7500kgf,16535lbf)。座舱布局为2名驾驶员+10~12乘客。

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与湾流的感情难以长久

苏霍伊被湾流放了鸽子,惨

1992年,湾流公司退出合作项目,原因是研发费用过高和面临技术挑战。留里卡设计局与罗罗公司的合作也没有实现。

1993年底,苏霍伊设计局自筹资金进行S-21的进一步设计研究工作,同时依靠本国资源研制了D-21和VK-21发动机。

飞机发展过程中,在俄罗斯中央流体力学研究院(TsAGI)和西伯利亚航空研究院(SibNIA)进行了大量风洞试验,实现了气动布局设计优化,并使激波噪声强度达到最小。苏霍伊设计局基本放弃S-21G飞机方案,发展了新的S-21飞机方案。新S-21飞机仍采用远距耦合鸭式布局,但选择三发设计,除了翼下的两台发动机外,增加一台垂尾根部发动机。三台AviadvigatelD-21A1涡扇发动机,单台推力73.5kN(7500kgf)。翼下发动机短舱靠近后机身两侧,前部进气道截面近似矩形,斜切进气口,尾喷口略突出机翼后缘。双三角箭形主机翼,大后掠角、大面积内段。中等后掠角小面积梯形外段,前缘带有襟翼。细长流线形机身,机身截面为椭圆形。预计超声速波阻是“协和”飞机的1/3~1/4。

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重大关键技术尚未完全突破

美国湾流和法国达索是第一梯队

在过去20多年,超声速喷气公务机技术研究已经取得一些重要成果,但是飞机产品开发工作尚未有效展开。作为世界公务机巨头的湾流和达索公司尽管不断开展超声速喷气公务机技术研究工作,但近期没有明确发起研制超声速喷气公务机计划。

目前Aerion公司是唯一发展超声速喷气公务机的企业,但其技术实力和经济实力很有限,其超声速喷气公务机方案技术上远未成熟。由于超声速喷气公务机的一些重大关键技术尚未完全突破,研制和发展费用高昂,风险很高,因此短期内不会有产品发起研制。超声速喷气公务机的发展还处于初期的方案设计和技术探索阶段。

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削减音爆强度是头等大事

高强度声爆会造成巨大危害

满足环保要求是超声速喷气公务机飞机发展的先决条件,声爆、噪声、污染物排放都要符合相关标准。

飞机超声速飞行会产生声爆,高强度声爆会造成巨大危害。因此,美国等50多个国家法律规定不允许民用飞机在陆地上空进行超声速飞行。超声速喷气公务机要广泛使用必须能够进行陆地上空的超声速飞行。超声速喷气公务机需要使声爆强度降一个适当低的值(如1.5kg/m2(0.3psf)以下),使其影响/危害程度达到可以接受的程度,并经适航部门认可。同样超声速喷气公务机的噪声和污染物排放水平要满足更加严格的环保标准。实现环保性能,特别是降低声爆强度是极具挑战性的技术难题。

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气动技术和推进技术已有进展

经济性虽然不是头等大事 但也相当重要

发展所面临的技术挑战是前所未有的,包括低声爆/环保综合技术、高效气动力技术、超声速推进系统、结构和材料、适航等,同时所有技术解决方案必须是在经济上可以接受。解决这些挑战性问题难度极大。目前一些技术研究工作已有进展。降低声爆强度目前主要发展了低声爆气动外形综合设计、主动升力控制、脱体能量注入、伸缩式声爆锥(湾流公司开发)等技术。

气动力方面主要有层流控制、可变后掠翼等技术。推进系统技术方面,变循环常规涡扇发动机(CTF)、混合喷嘴引射器(MNE)和中部串列风扇(MTF)等具有较高环保特性和技术性能的新型推进系统进行了比较深入的研究和试验工作。

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超声速公务机前景光明

厚积薄发等待突破

超声速喷气公务机飞机产品发展面临技术难题有待突破,高投资、高风险、市场需求不确定等问题。因此湾流、达索等大牌公务机公司并不急于发起超声速喷气公务机研制项目,而是扎实推进关键技术研究,并且等待市场需求量积聚到足够大。

相信在不远的将来,有关喷气公务机厂商可能会在国家支持下突破超声速喷气公务机关键技术,推出技术成熟的超声速喷气公务机产品,开创超声速公务航空新时代!

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结语

超声速飞行技术军民两用,鉴于超声速喷气公务机对航空技术发展的巨大带动作用和发展潜力,因此美国、欧盟、俄罗斯、日本等国都在组织本国研究机构和企业开展相关技术研究工作。超声速喷气公务机发展所面临的技术和资金难题,单靠企业自身难以解决。比较可行的是国家支持下的企业行为。(来源:网易新闻 )

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