Jetliners的未來BIG vs FAST

2019-04-07 09:29:44 編輯：來源：

導(dǎo)讀亞洲積極的經(jīng)濟趨勢預(yù)示著跨太平洋和跨歐亞旅行的即將到來的繁榮。由于交貨時間較長，飛機制造商必須盡快決定飛機設(shè)計，以滿足未來十年的需

亞洲積極的經(jīng)濟趨勢預(yù)示著跨太平洋和跨歐亞旅行的即將到來的繁榮。由于交貨時間較長，飛機制造商必須盡快決定飛機設(shè)計，以滿足未來十年的需求。與任何其他質(zhì)量流量問題一樣，工程師面臨兩種選擇：提高流速或構(gòu)建更大的管道。在飛機設(shè)計方面，解決方案歸結(jié)為第二代超音速運輸機或1000座超大型客機。在這兩者中，亞音速超大型民用運輸(VLCT)似乎是值得肯定的，因為它的技術(shù)障礙似乎更低。不過，任何一架飛機的開發(fā)成本預(yù)計都在100億美元以上，這是一場賭博，沒有任何制造商可以輕視。工業(yè)工程師目前正致力于這兩種可能性。

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VLCT的挑戰(zhàn)。制造商計劃的VLCT配置似乎是關(guān)于747長度的雙層飛機。藝術(shù)家效果圖相信飛機的大小，直到人們注意到FAA規(guī)則所要求的緊急出口數(shù)量不超過90在緊急情況下疏散乘客的秒數(shù)。

VLCT的尺寸以及將飛機整合到現(xiàn)有機場運營中的需求帶來了重大的設(shè)計問題。“為了有效競爭，我們提議的A3XX客機將相對于(波音)747-400直接運營成本節(jié)省約15%，”空中客車工業(yè)公司戰(zhàn)略規(guī)劃副總裁Adam Brown在最近的一次演講中解釋道。關(guān)于他的公司的超級巨型計劃。“為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，將需要在空氣動力學(xué)，材料，系統(tǒng)和制造技術(shù)方面取得重大進(jìn)展。”

VLCT的空氣動力學(xué)挑戰(zhàn)源于需要保持機翼相對較短并且為了經(jīng)濟起見而將阻力降至最低。“我們將重點放在超臨界，先進(jìn)的翼型上，因為它們在高升力系數(shù)和高機翼載荷方面效率更高，”道格拉斯飛機公司先進(jìn)寬體計劃經(jīng)理David Murphy說。“結(jié)果是，與總重量成比例，我們可以在比現(xiàn)有設(shè)計更小的機翼區(qū)域內(nèi)有效飛行，從而更好地適應(yīng)當(dāng)前的機場基礎(chǔ)設(shè)施。”

用于控制機翼上的氣流的技術(shù)也可以在改善百萬磅以上的客機的經(jīng)濟性方面發(fā)揮作用。正在研究中：通過使用發(fā)動機真空來控制層流，通過機翼上表面上的數(shù)千個激光鉆孔產(chǎn)生吸力。這樣的系統(tǒng)將通過阻止機翼上的湍流氣流的開始而大大減小阻力?；蛘撸苍诳紤]的循環(huán)控制系統(tǒng)會在大型飛機機翼的前緣和后緣上排出高壓發(fā)動機空氣，以根據(jù)需要提升升力。該概念將允許更小的機翼沒有復(fù)雜的襟翼機構(gòu)。然而，有消息稱，設(shè)計這些系統(tǒng)以實現(xiàn)輕量化和簡單維護仍然是一項復(fù)雜的工程任務(wù)。

相比之下，工程師似乎對降低VLCT重量所需的材料技術(shù)充滿信心。“我們估計復(fù)合材料的應(yīng)用大約是機身相對于MD-11的百分比，”道格拉斯的墨菲說他的公司計劃的600到800座MD-12飛機。他說，大型復(fù)合結(jié)構(gòu)，如垂直和水平穩(wěn)定器，需要更大的高壓滅菌器和縫合機，但沒有顯示塞子。

先進(jìn)的引擎。飛機發(fā)動機價格，機艙成本，燃料使用和維護占長途客機運營成本的40%。因此，發(fā)動機包含VLCT設(shè)計中遇到的所有技術(shù)挑戰(zhàn)。

在這里，設(shè)計主題似乎更具進(jìn)化性而非革命性，但同樣，規(guī)模令人吃驚。制造商計劃在初始版本的VLCT上使用的68,000磅推力高旁通渦扇發(fā)動機的入口部分直徑約為100英寸，每個重約12,000磅。雖然它們很大，但現(xiàn)在正在為VLCT開發(fā)更大的發(fā)動機，這將提高燃油經(jīng)濟性并減少產(chǎn)生的噪音。

Pratt&Whitney將其超大型發(fā)動機稱為高級導(dǎo)管推進(jìn)器(ADP)?；谄銹W4000系列渦扇發(fā)動機的共同核心，ADP將包括新技術(shù)，使其潛在推力超過120,000磅。ADP的突破性功能是風(fēng)扇和低速轉(zhuǎn)子之間非常高效的變速箱。3：1減速齒輪箱的額定功率為80,000馬力，使發(fā)動機的高速渦輪機以10,000轉(zhuǎn)/分的速度運轉(zhuǎn)，同時保持風(fēng)扇葉尖速度低于1.4馬赫，效率急劇下降。

目前正在進(jìn)行測試的ADP演示發(fā)動機包括單晶，蒸發(fā)冷卻，三維翼型渦輪葉片，電子束，氣相沉積陶瓷涂層。這些涂層需要抵抗先進(jìn)設(shè)計的浮壁冷卻燃燒室的2,800F溫度。旁通比為13：1，射流速度約為730英里/小時，ADP應(yīng)滿足預(yù)計的FAA“第IV階段”噪聲要求，并提供比任何早期設(shè)計更好的經(jīng)濟性。“現(xiàn)在，渦輪風(fēng)扇飛機可以在一加侖汽油上移動一個座位100英里，”大衛(wèi)烏鴉解釋說，普拉特'高推力推進(jìn)系統(tǒng)高級副總裁。“通過ADP，我們預(yù)計燃油經(jīng)濟性將提高15%。”對于航空公司高管來說，這是音樂。

高速民用運輸(HSCT)。雖然物理和環(huán)境法律共同反對建造一種經(jīng)濟的新型超音速客機，但它們將跨洋飛行時間減少50%以上的潛力為繼續(xù)研究和開發(fā)工作提供了強大的動力。

這種激勵不僅僅是為乘客提供更大的便利：“如果你可以實現(xiàn)快速周轉(zhuǎn)，即將其保持在空中，那么HSCT可以在一天內(nèi)攜帶更多的乘客，而不是相同尺寸的亞音速飛機，”道格拉斯的墨菲解釋道。研究表明，如果將更高的生產(chǎn)率與票價相比不超過目前頭等艙票價的25%至50%，那么乘客量將支持500架HSCT車隊。

“基線”行業(yè)HSCT設(shè)計中心位于2至3馬赫之間的250至300名乘客，4引擎客機，范圍必須至少為5,000海里才能為具有足夠燃料儲備的跨太平洋航線提供服務(wù)。它的機翼將是一個尖銳的三角形，機身夾在機翼根部，以減少跨聲波阻力。消息人士謹(jǐn)慎預(yù)測到2010年HSCT首次亮相。

與超大型客機一樣，HSCT設(shè)計人員面臨的主要問題包括增加復(fù)合材料的使用，改善空氣動力學(xué)以及設(shè)計更高效的發(fā)動機。相似性在那里結(jié)束。

建立一支低維護，環(huán)保的HSCT車隊需要在計算流體動力學(xué)，極高強度，耐高溫材料，更好的環(huán)境建模和計算機化飛行控制方面取得巨大進(jìn)步。這項工作令人生畏，以至于世界各地的長期行業(yè)競爭對手已經(jīng)建立了聯(lián)盟來解決這些問題。

溫度/壓力極端。普拉特惠特尼/ GE飛機發(fā)動機聯(lián)合超音速運輸推進(jìn)計劃的經(jīng)理理查德海因斯在普拉特公司工作了38年，其中有34年從事超音速發(fā)動機項目。HSCT引擎看起來像是軍用渦扇發(fā)動機的放大版本。但是，他說，“這將是復(fù)合材料技術(shù)的一大跳躍，而不是之前的設(shè)計。”

材料問題歸結(jié)為HSCT飛行所需的飛機部件的熱量和壓力的前所未有的水平和持續(xù)時間。亞音速客機及其發(fā)動機在每次飛行起飛時只需幾分鐘即可看到最大的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。相比之下，任何HSCT都會在相對較低的發(fā)動機推力水平下起飛，以最大限度地降低噪音。一旦達(dá)到開闊水域和巡航高度，超級駕駛需要大部分飛行的最大油門設(shè)置。海因斯說，沒人

因此，可靠性仍然是圍繞HSCT的最大技術(shù)問題。Pratt's Crow指出，協(xié)和運營商必須保留第二個SST準(zhǔn)備好飛行，以防定期飛機出現(xiàn)問題。否則，乘客將獲得退款的退款，相當(dāng)于超音速和亞音速票價之間的差額。賺錢的HSCT業(yè)務(wù)不可能如此奢侈。

超級軍用飛機發(fā)動機的經(jīng)驗是否有助于解答有關(guān)可靠性的問題?是的，普拉特/通用電氣財團的海因斯說，但他警告說，軍用發(fā)動機平均每年約200個飛行小時。HSCT發(fā)動機需要在同一時間內(nèi)飛行3000小時或更長時間，并且在大修之間可能需要10,000小時。

“我們正在研究新的編碼，新涂層和新材料，”海因斯解釋道。“在HSCT發(fā)動機中，循環(huán)不像蠕變那么大。”關(guān)于在超音速飛行期間必須承受持續(xù)400華氏度溫度的機身材料以及飛機20年壽命的大部分時間，可以做出類似的聲明。

工程師們對減少500,000 HSCT飛機在60,000英尺處飛越臭氧層所需的設(shè)計感到更加樂觀。各種燃燒器設(shè)計，包括分級燃燒，有望將排放降低到預(yù)計的8%的電流限值。更重要的是通過增加用于亞音速飛行的高升力裝置來減少燃料消耗，通過精心的機身構(gòu)造來削減超音速阻力并且通過非?？焖俚娘w行控制計算機最小化控制表面運動。另一項要求：

由于所有這些技術(shù)仍有待掌握，而且燃料價格的前景一如既往地不確定，因此在300人以2.5馬赫的速度行駛之前，一次可能有1000人以0.8馬赫的速度行駛。但兩種類型的飛機都有機會。“壓倒性的事實是，世界人口中有75人生活在香港飛行時間的四小時內(nèi)，”普拉特弗蘭克說。“他們非常低空飛行。”

然而，開發(fā)任何一架飛機的巨大成本讓人懷疑，如果更大的傳統(tǒng)飛機機隊不會更便宜。在被問到這個問題時，道格拉斯的墨菲強硬說：“這是進(jìn)步。如果你不嘗試改進(jìn)，你可以保證不會得到它們。”

HSCT設(shè)計障礙

每個座位的費用不超過當(dāng)前頭等艙機票的1.5倍

開發(fā)先進(jìn)的復(fù)合材料，以應(yīng)對增加的溫度梯度，延長超音速飛行的高應(yīng)力

優(yōu)化亞音速和超音速飛行效率之間的機身和發(fā)動機設(shè)計權(quán)衡。

為限制視力，空氣動力學(xué)駕駛艙創(chuàng)建先導(dǎo)人工視覺系統(tǒng)

在起飛和超級巡航時減少聲學(xué)特征

開發(fā)先進(jìn)的穩(wěn)定性和控制算法，以最大限度地減少產(chǎn)生阻力的控制面運動

VLCT設(shè)計障礙

與目前的大型飛機相比，降低了15%的直接運營成本

將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)擴展到大型飛行控制表面，機身

提高發(fā)動機旁通比率以提高燃油經(jīng)濟性，同時保持可靠性和當(dāng)前功率重量標(biāo)準(zhǔn)