《NASA对N+3代先进飞行器概念设计最终报告》阅读笔记

民用航空的爆炸式增长已是未来的必然，灿烂的前景也意味着巨大的挑战，谁能发掘到未来技术的潜力，谁就能称霸下一个30年的天空！

文章目录

• 总概述
• 单双争霸
• 四点发现
• 方案分析
• 多维度分析
• 设计要求
• 品质因素
• 项目经过
• Double-Bubble D8飞机设计概念
• 特点
• 设计迭代过程
• D(悬臂翼)和SD(斜撑翼)的对决
• Hybrid Wing Body布局设计概念
• 特点
• 有效载荷和范围对D和H布局的影响
• 技术路线图
• 感谢阅读

---

总概述

NASA的这份报告是对30年后飞机的设想，权衡内容包括飞机性能（燃油消耗，飞行距离），噪声以及排放等多项指标。

---

单双争霸

最终有两种类型的飞机从多种设计方案中脱颖而出，一个是未来取代B737/A320的单通道飞机Double-bubble B8，另一个是为了取代B777的双通道飞机hybrid wing body H3，两架飞机都比较成功地达到或者接近NASA提出的目标。

---

四点发现

1. double-bubble布局飞机在B737尺寸和载荷下能提供更高的有效载荷量以及更好的燃料燃烧，而hybrid-wing布局飞机在B777尺寸和载荷下能实现最佳效果。

2. 尽管两种配置都比基准飞机有了较大的改善，但对于NASA检查的航程范围，double-bubble布局表现出更好的性能（对于非常大的尺寸/有效载荷具有和hybrid-wing布局飞机相同的性能）。

1. 气动布局的优化往往能比技术的进步取得更好的效果，且花费时间较短。

1. 对推进系统 - 机身一体化问题的研究，以及对D8系列可行性的深入评估，是未来研究的最高优先事项。

---

方案分析

NASA 团队从需求、机场运营、基础设施、能源以及环境等角度出发，结合未来发展趋势，提出了N+3代飞机的要求和目标。

---

多维度分析

未来飞机的需求量肯定是呈现迅速上升的趋势，特别是对于中国和印度等新兴国家。然而，同时随着地面汽车和轨道交通的发展，短途飞机势必会受到较大的影响（机场安检，成本，环境污染等都是劣势）。

       机场运营的方式也会有大幅度的变化，首先是得提高飞机的利用率，通过合理高效的调度方式，减少地面维修时间，同时，网络建设也会帮助提高飞机的利用率。在研究中还发现，载客航班的货运能力的利用率不高导致飞机整体的闲置率较高，造成了浪费，所以，有观点认为未来单通道飞机可以进一步缩小货舱空间，而对于双通道飞机（往往飞国际航班）应该维持现有货舱空间（国内空中货运可以交给专门的货运飞机，而国际货运往往得由这些载客国际航班完成）。货舱空间的减小也会带来额外的好处，譬如客舱空间的扩大，未来可能允许乘客携带更多的随身行李，减小托运，这可以减少地面行李运输时间，从而可以降低乘客的地面等待时间，最终降低整体旅行时间。

       报告还指出，机场的安检方式不会松懈，飞机依旧是恐怖分子的重点关注对象，漫长的安检时间可能会导致短途飞机被人们遗弃。

       飞机利用率的提高很大程度上限制于机场和空域的因素，而这之中飞机起飞间距是个很值得研究的问题。由于涡流的存在使得飞机的起飞间距不可能无限制小，而如何提高飞机的抗涡流能力是个很值得研究的主题！而下一代航空运输系统（NextGen）的发展能提供给飞机驾驶员更多灵活性，降低飞机飞机中的间距，进一步还可能实现直飞的能力。、

能源方面，报告中讨论了生物能源，液化天然气以及液化氢技术，讨论的结果是，到2035年，飞机的燃料依然是以传统航空燃料为主，可能会适当地兼容一些新兴能源。

       至于环境，研究发现满足气候目标所获得的收益远比满足噪声、空气质量等其他环境指标获得的收益要多。

---

设计要求

为了满足不同的座位数和航程需求，N+3代飞机也被划分为180座的单通道国内航班（B737-800为基准）和350座的双通道国际航班（B777-200LR为基准）两种类型。报告对这两种飞机提出了不同的设计需求，在此不再详细说明，见下图所示：

值得一提的是，对于180座的飞机而言，可以通过降低巡航速度来提高燃料燃烧效率，因为对于中短途出行的乘客而言，他们更加关注机票价格和离场时间，而对于增加的飞行时间，可以通过尽可能缩短飞机的留地时间来缓解。而对于350座的长途飞机而言则不能降低速度，否则增加的旅行时间太多。

---

品质因素

该章讲述了N+3飞机的一些设计指标，这里不罗列了。

---

项目经过

该章讲述了整个项目的经过，如下图所示：

---

Double-Bubble D8飞机设计概念

Double-bubble 布局设计是MIT团队提出来的方案，为什么叫Double-bubble（双气泡）呢，见下图便一目了然了！

仅应用了先进的双气泡等先进气动布局结构的型号被称为D8.1，而又外加一些2035年可能出现的先进的技术的型号被定为D8.5。而后，该团队又提出了应用了斜撑翼式的结构，分别命名为SD8.1和SD8.5。

       该章中详细地讨论了这种双气泡飞机地各项性能参数，MIT团队也给出了其各项指标的雷达图：

---

特点

1. 毫无疑问，双气泡的机身是这种布局设计的最大特点，这样设计可以使原本只产生阻力的机身也可以产生一定的升力，集中在机头部分，机头产生的升力用来做抬头力矩，起到了鸭翼的作用。同时，双气泡的布局还增加了机身的空间，使客舱变得更加宽敞。

1. 发动机嵌入到机身尾部，可以通过吸入机身边界层（BLI【?了解详情?】）改进推进效率，还可以采用轻重量的小进气道，减轻了整机质量。由于发动机布置在机身尾部上端，大大降低了被鸟撞和吸入沙石的几率，同时也意味着可以使用更短的起落架，对减轻机体重量起到了好处。值得一提的是，由于发动机离飞机中轴线的距离缩短，大大减小了发动机的侧向力矩，从而可以减小垂直尾翼（飞机适航条例规定双发飞机需要具有单发飞行的能力，单发飞行时不平衡的侧向力矩需要垂直尾翼来平衡），带来的好处是飞机重量的进一步减小。

1. 巡航速度被降低。处于基准线的B737-800巡航速率为0.80Ma，而D8.1的速率为0.72Ma，D8.5的速率为0.74Ma。在其他交通工具疯狂提速的年代里，而在航空领域中，这些知名的团队和机构都不约而同地提出了减速的设计方案，看似荒诞的背后实则是航空工业为了提高燃油效率，减小污染，降低噪音等的无奈之举。然而，这种决策也确实能联动带来一系列好处，飞行速率的降低使得可以使用非后掠翼，从而增大了展弦比，同时升力系数的增大也使得可以废除了前缘缝翼，进而降低了机翼的结构复杂度，也减轻了整机的重量。

2. 垂直尾翼使用了边条翼和整体的π\piπ型尾翼，获得了较轻的尾段重量，边条翼的存在还使得大滑角时增大了侧向力，同时，尾迹涡的环量减小了80%。

1. 为减噪布置了多段后向音衬管。

---

设计迭代过程

说明：黑色字体和线条为上一版飞机的特征，红色字体和线条为下一版本飞机的特征。

---

D(悬臂翼)和SD(斜撑翼)的对决

该团队还对双气泡布局的斜撑式机翼（Struct-braced-wing）版本做了详细的研究，样子如下：



       研究发现，斜撑式机翼具有更高的升阻比，更低的油耗，然而，诱人的背后是复杂的气动弹性问题，复杂和高成本的机体结构以及更大的翼展和需要更高的发动机旁通比。因此，在权衡利弊之后，MIT团队判断悬臂翼更适合未来的发展。

---

Hybrid Wing Body布局设计概念

该章组织形式和上章类似。HWB布局是MIT团队提出的取代B777-200LR的未来飞机概念（HWB的图上面已展示过，这里不重复）。这一章同样对其性能指标做了详细的说明，以下是HWB布局各项指标的雷达图：

---

特点

1. HWB布局同上面的双气泡布局，其机头部分也会产生升力，一定程度上起到了鸭翼的作用。

2. 同样，发动机嵌入在机身尾部，能吸收机身附面层（BLI）。同时，发动机布置在机身上方，使得可以使用更短的起落架，降低了鸟撞和砂石吸入的可能性，也可以布置多段后向音衬管减噪。

3. 其推进系统还有一个特殊的地方，它通过两个燃气涡轮机使用齿轮传动带动四个风扇的运转，从而能提供更多的升力以及更低的噪音和更广的吸力覆盖范围（有利于吸收机身附面层）。

1. 引人注意的是，推进系统居然还采用了矢量推力，这无疑提高了飞机的灵活性。
2. HWB布局的机翼具有前缘缝翼，可以在起飞和进近阶段提供更大的升力系数。

---

该章接下来部分就是在介绍HWB布局飞机的各项性能指标以及具体布局。值得一提的是，该章结束部分提到了几种先进的技术但由于技术风险高而被从HWB布局中剔除，它们分别是液化天然气和电力推进系统。

---

有效载荷和范围对D和H布局的影响

该章进一步探索了D和H布局的机舱布置和载荷布置。同时，假设用双气泡布局来替代B777-200LR，衍生出了D13型号，该型号与之前的D8系列相比，最大的改动就是更大的机身、翼展以及三发布置。对D系列飞机的研究发现，其虽然在B737-800大小处能发挥最好的效能，但其在更高的载荷下油耗（PFEI指标为基础）也只是小幅度增加。在B777-299LR尺寸大小下，其性能和HWB布局一样优异，甚至在移除速度限制（Ma=0.83）情况下有更优异的性能。（【?比较见此?】）所以，他们建议对D系列飞机做更进一步的技术探索，而对H系列飞机做进一步的概念研究。

---

技术路线图

报告最后描述了先进技术带来的利好和风险之间的权衡，对之前描述D和H系列飞机中提到的先进技术都做了技术评估，这里不详细展开，详见报告。

感谢阅读

【参考资料】

1、《N+3 Aircraft Concept Designs and Trade Studies Final Report》