Jetliners的未來BIG vs FAST

2019-04-07 09:29:44 編輯：來源：

導讀亞洲積極的經濟趨勢預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計，以滿足未來十年的需

亞洲積極的經濟趨勢預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計，以滿足未來十年的需求。與任何其他質量流量問題一樣，工程師面臨兩種選擇：提高流速或構建更大的管道。在飛機設計方面，解決方案歸結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，因為它的技術障礙似乎更低。不過，任何一架飛機的開發(fā)成本預計都在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配置似乎是關于747長度的雙層飛機。藝術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。關于他的公司的超級巨型計劃。“為了實現(xiàn)這一目標，將需要在空氣動力學，材料，系統(tǒng)和制造技術方面取得重大進展。”

VLCT的空氣動力學挑戰(zhàn)源于需要保持機翼相對較短并且為了經濟起見而將阻力降至最低。“我們將重點放在超臨界，先進的翼型上，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寬體計劃經理David Murphy說。“結果是，與總重量成比例，我們可以在比現(xiàn)有設計更小的機翼區(qū)域內有效飛行，從而更好地適應當前的機場基礎設施。”

用于控制機翼上的氣流的技術也可以在改善百萬磅以上的客機的經濟性方面發(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雜的襟翼機構。然而，有消息稱，設計這些系統(tǒng)以實現(xiàn)輕量化和簡單維護仍然是一項復雜的工程任務。

相比之下，工程師似乎對降低VLCT重量所需的材料技術充滿信心。“我們估計復合材料的應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，大型復合結構，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設計中遇到的所有技術挑戰(zhàn)。

在這里，設計主題似乎更具進化性而非革命性，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，這將提高燃油經濟性并減少產生的噪音。

Pratt&Whitney將其超大型發(fā)動機稱為高級導管推進器(ADP)?；谄銹W4000系列渦扇發(fā)動機的共同核心，ADP將包括新技術，使其潛在推力超過120,000磅。ADP的突破性功能是風扇和低速轉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/分的速度運轉，同時保持風扇葉尖速度低于1.4馬赫，效率急劇下降。

目前正在進行測試的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設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應滿足預計的FAA“第IV階段”噪聲要求，并提供比任何早期設計更好的經濟性。“現(xiàn)在，渦輪風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'高推力推進系統(tǒng)高級副總裁。“通過ADP，我們預計燃油經濟性將提高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，即將其保持在空中，那么HSCT可以在一天內攜帶更多的乘客，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。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。消息人士謹慎預測到2010年HSCT首次亮相。

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

建立一支低維護，環(huán)保的HSCT車隊需要在計算流體動力學，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)合超音速運輸推進計劃的經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，“這將是復合材料技術的一大跳躍，而不是之前的設計。”

材料問題歸結為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力和機械應力。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置。海因斯說，沒人

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

超級軍用飛機發(fā)動機的經驗是否有助于解答有關可靠性的問題?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計感到更加樂觀。各種燃燒器設計，包括分級燃燒，有望將排放降低到預計的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，通過精心的機身構造來削減超音速阻力并且通過非常快速的飛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，”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：“這是進步。如果你不嘗試改進，你可以保證不會得到它們。”

HSCT設計障礙

每個座位的費用不超過當前頭等艙機票的1.5倍

開發(fā)先進的復合材料，以應對增加的溫度梯度，延長超音速飛行的高應力

優(yōu)化亞音速和超音速飛行效率之間的機身和發(fā)動機設計權衡。

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

在起飛和超級巡航時減少聲學特征

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

VLCT設計障礙

與目前的大型飛機相比，降低了15%的直接運營成本

將復合材料結構擴展到大型飛行控制表面，機身