洛馬公司完善翼胴融合混合構型HWB運輸機概念
2015-09-02 圖: 洛克希德·馬丁公司
美國《航空週刊與航太技術(Aviation Week & Space Technology, AWST)》在2014年2月18日報導，通常情況下，飛機性能驅動軍用飛機設計決策，能源消耗對飛機設計的影響是次要的。但隨著燃料成本的提高以及預算的 減少,這種狀態正在發生轉變。能源正迅速成為限制飛機設計的關鍵約束，這可能重塑飛機設計觀念。
目美國空軍努力降低燃料消耗，為此他們專注運輸機和空中加油機隊，因為運輸機和空中加油機每年消耗航空燃油占總量的2/3。儘管近期飛機改型(如編隊飛行、翼端帆以及其他的減阻裝置）能夠降低燃油消耗，但這不是長遠之計。
空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory, AFRL)的高能效顛覆性構型專案(Revolutionary Configurations for Energy Efficiency, RCEE)表明，顯著降低燃油消耗將可能是飛機設計觀念的最大變化。圖:洛克希德·馬丁公司
RCEE專案的第1階段於2009年11月啟動，該階段的目標是下一代空中運輸隊的燃油消耗比現在降低90%。2011年啟動RCEE專案的第2階段，該階段將持續到2015年。在這階段，各廠商將研究特殊的飛機構型來降低燃油消耗。
在第一階段，波音公司(Boeing)提出混合運輸編隊，這種編隊能達到燃油消耗減少90%的目標：酬載為20噸的全電絎架翼型(all- electric truss-braced-wing)設計；酬載荷為40噸的分散式推力混電(distributed-thrust hybrid-electric)設計；酬載為100噸的翼胴融合混電(hybrid-electric blended wing-body)設計。在第二階段，波音公司密切關注分散式推力、混合燃料推進設計。圖:洛克希德·馬丁公司
洛克希德•馬丁公司(Lockheed Martin)為達到燃油消耗減少90%的目標，在第一階段對飛機佈局以及各種技術進行大量的研究，研究表明翼胴融合混合(Hybrid Wing-Body, HWB)構型可能對降低燃油消耗具有最大潛能。在第二階段，洛馬公司進一步規劃HWB概念，HWB概念是翼胴融合和傳統構型的結合，機體前部採用翼胴融合 構型，此構型具有高效率的氣動力和結構，後部採用機身加尾翼傳統構型，以有利於運輸機的空運，特別是空投。 圖:洛克希德·馬丁公司
HWB設計的不尋常之處是翼胴融合機身前部有一個圓形的增壓機身。裝載在外部非增壓艙的貨物可放在後斜板上以滾筒往前移，再通過機身側門進入外部貨 艙。這就以使得HWB構型的增壓艙機身在貨艙體積相同的情況下比C-5運輸機機身更小、重量更輕。據洛馬公司計算HWB的結構比傳統設計輕18%。HWB 飛機的另一個非傳統特點是發動機安裝在機翼後緣上方。一直以來，飛機設計都避免採用這種安裝方式，因為這種安裝方式會在跨聲速時引起機翼的干擾，但採用這 種安裝方式的本田(Honda)商務機卻很好的利用這種設計。圖:洛克希德·馬丁公司
洛馬公司對發動機安裝在機翼前緣、機翼後緣以及前機身位置時的巡航干擾阻力進行研究。研究結果表明，發動機短艙安裝在機翼後緣有利於提高升阻比，不論什麼型號的發動機，發動機安裝在機翼後緣上方的氣動力學效率要比翼下安裝的一般佈局高5%。
目前所公認的低油耗發動機有三款。第一款是美國通用電氣公司(General Electric)目前可使用的GEnx發動機，第二款是2030年可使用的英國勞斯萊斯公司(Rolls-Royce)的超級風扇(Ultra Fan)概念發動機，第三款是2025年可使用的美國通用電氣公司的開式轉子(open rotor)發動機。與C-17和C-5M運輸機的發動機相比，第一款、第二款和第三款發動機的燃油消耗率分別要低25%、30%、35%。據洛馬公司計 算，HWB的飛機由於氣動力學效率高以及結構輕，比C-17分別安裝GEnx發動機、超級風扇發動機、開式轉子發動機的燃油消耗要低70% 、75%、 80%。雖然GEnx發動機、超級風扇概念發動機、開式轉子發動機的直徑大小各異，但在最佳化後同一架飛機可根據需要模組化安裝不同的發動機。圖:洛克希德·馬丁公司
分析表明發動機安裝在機翼後緣上方還有其他的好處。首先短艙前面長長的翼弦具有氣流導向器的作用，以減少進氣道畸變以及阻擋發動機雜訊向地面傳播。 其次發動機安裝在機翼後緣上方可以方便發動機的維修和拆卸，甚至可在發動機短艙上安裝一個小尾翼。最後還有利於升力的產生，發動機吸入氣流可為機翼提供很 大的吸升力，類似於安裝在翼下的發動機噴出氣流打到下偏的襟翼上在翼下形成高壓區域，C-17運輸機就採用這種方法。這可使最大升力係數增加15%。圖:洛克希德·馬丁公司
為了提供短場起降能力，類似於洛馬公司在美國空軍研究實驗室的速度敏捷(Speed Agile)專案中研究的短場運輸機概念，過剩的燃油容積可用來進行襟翼吹風產生環流控制。另外還可像F-35向量噴嘴一樣，產生垂直升力。
如果C-17按計劃在2033年開始退役，那麼美國空軍將要開始研究下一代運輸機，因為C-17運輸機的研究歷時21年。
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