民用飛機氣動布局發展演變及其技術影響因素

張帥， 夏明， 鐘伯文,*

1. 中國商飛北京民用飛機技術研究中心 總體論證研究部， 北京　102211

2. 南京航空航天大學 航空宇航學院， 南京　210016

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民用飛機氣動布局發展演變及其技術影響因素

張帥1, 2， 夏明1， 鐘伯文1,*

1. 中國商飛北京民用飛機技術研究中心 總體論證研究部， 北京102211

2. 南京航空航天大學 航空宇航學院， 南京210016

摘要:在民用飛機氣動布局發展演變的歷程中，技術因素是根本推動力。為了研究未來民機的發展方向、技術需求以及應對策略，在回顧民機氣動布局發展歷程的基礎上，梳理了在現代民機氣動布局形成與演變過程中有著重要影響的4大類技術因素：航空發動機、氣動設計、結構設計、飛行控制，并且揭示了這些技術因素在民機發展及其氣動布局演變中所發揮的作用。結合未來航空運輸市場出現的新需求，分析了未來民機的主要發展方向，重點分析了未來非常規布局民機可能采用的翼身融合、雙氣泡機身、支撐翼以及聯結翼等氣動布局形式。最后探討了新技術條件下民用飛機發展在技術方面的需求和挑戰，以及未來民用飛機總體設計的技術策略，明確了多學科設計優化是滿足未來民機總體設計需求的有效技術途徑。

關鍵詞:航空運輸； 民用飛機； 氣動布局； 總體設計； 技術因素

作為一種高效的運輸工具,飛機在出現不久之后就引起了交通運輸業的深刻變革，航空運輸很快成為與陸運、水運并列的3大運輸方式之一。航空運輸的最突出特點就是高效率，而經過近一個世紀的發展，民用航空運輸在速度和運力2個方面都有非常大的進步。作為民航運輸的承載者，飛機自身也經歷了長時間發展演變和多次技術革命，不斷引入航空科學技術的最新成果，并不斷適應世界航空運輸業發展變化的需求。

經過近一個世紀的發展，民用航空運輸業已經空前繁榮，民用飛機制造業也在二戰前后經歷了2次大發展，形成了今天民用飛機的基本氣動布局形式。民用飛機的發展伴隨著航空科學技術的進步，民機氣動布局的發展演變本質上是由于技術因素的推動。透過飛機氣動布局發展演變的歷史進程，可以深入分析影響民用飛機氣動布局形成的技術因素，梳理氣動布局發展演變的技術脈絡以及民用飛機氣動布局與各學科技術之間的關聯，進而結合未來航空運輸市場出現的新需求，明確新一代民用飛機的發展方向。本文在回顧民用航空發展歷程的基礎上，分析現代民用飛機氣動布局的形成過程，探討影響現代民機氣動布局的技術因素，從技術角度審視未來民用飛機的發展方向及其技術瓶頸，從需求角度評判專業技術成果對民機發展的推動作用，以明確未來民機發展在技術方面的需求和挑戰，從而為明確具體專業技術的預研方向以及新一代非常規布局民用飛機的總體設計技術策略提出建議。

1民用飛機氣動布局發展回顧

民用航空運輸業起源于20世紀20年代，在20世紀30年代實現快速發展，開始出現航空客運業務，并且提出了“現代客機”的概念，涌現出以波音247、DC-2、DC-3等機型為代表的多種商業成功的民用飛機[1-2]。二戰期間，美國在運輸機研制方面取得了較大進展，并且在戰后航空運輸市場上形成了優勢[1-2]。隨著燃氣渦輪發動機在20世紀40年代末趨于成熟，英國率先使用這種發動機，分別推出了采用渦輪螺旋槳的“子爵”客機和采用渦輪噴氣發動機的“彗星”客機，獲得了很好的業績。然而，由于對金屬疲勞問題缺乏認識，“彗星”客機連續發生了2次墜毀事故，給英國民航工業造成沉重打擊，同時也為美國在噴氣式客機領域實現超越提供了機遇。20世紀50年代，波音707和DC-8開始投入商業運營，并且取得了前所未有的成功[2-3]。此后，民航客機常規氣動布局逐漸形成，近似圓柱形機身、后掠下單翼、單垂尾、翼吊或尾吊發動機等外形特點成為現代常規民航客機的典型特征[2-4]。

20世紀60年代是民航工業大發展時期，中短程客機、中遠程寬體客機以及超聲速客機相繼出現，其中多個成功機型及其改進型依然是當今航空運輸市場的主力。這一時期噴氣式客機的各類氣動布局集中出現，成為常規氣動布局演化的源頭[2,5]。按照發動機安裝位置，噴氣式客機布局形式主要分為翼吊發動機和尾吊發動機2種；其中，翼吊4發是首款獲得商業成功的噴氣式客機波音707采用的布局形式，該布局也被大型遠程寬體客機波音747延用；翼吊雙發和尾吊雙發布局的代表機型分別為波音737和DC-9；尾吊3發布局中短程客機的代表機型為波音727和“三叉戟”(Trident)。此外，還有一種翼吊雙發加尾部單發的3發布局形式，為早期的中遠程寬體客機所采用，代表機型分別是DC-10和L1011。同一時期的超聲速客機“協和”和圖-144均采用了大后掠三角翼、無尾、細長機身的氣動布局形式，以適應超聲速飛行的需求。在隨后近50年的發展歷程中，民航客機大都延用這一時期產生的氣動布局形式，其中的翼吊雙發布局更是成為客機氣動布局形式的主流。

現代客機常規氣動布局在民用航空運輸業發展壯大的過程中逐步形成，它直觀地反映了整個20世紀民用航空工業的技術水平。從木制結構、拉力鋼線式機翼到全金屬半硬殼式機身、懸臂梁機翼，可見結構設計技術的進步是現代客機產生和發展的第一個動因；空氣動力學理論的產生和系統化發展，以及試驗空氣動力學的快速進步，為較大型飛機的氣動力設計奠定了基礎；大型活塞式發動機配合變距螺旋槳動力系統的完善，及其效率和可靠性的提高，為民航客機帶來第一次全面發展[2,6]。以上因素共同促成了民航客機的產生和快速發展，同時也推動了民用飛機常規布局的發展和演變。而20世紀60年代民航工業的大發展則得益于噴氣推進技術的成熟、全金屬結構設計水平的提高，以及跨聲速和超聲速空氣動力學方面的研究成果[7-9]。可以看出，技術因素是民用飛機氣動布局形成和發展的最主要推動力量。清晰梳理推動民用飛機氣動布局發展演變的技術因素，深入理解不同技術因素對氣動布局設計的最終影響，是正確把握未來民用飛機氣動布局發展的基礎問題，對新一代民用飛機氣動布局設計具有重要意義。

2現代民用飛機氣動布局

從航空推進系統的角度來說，現代民用飛機的產生與發展橫跨螺旋槳系統與噴氣推進系統2個時代。民航客機的動力系統從最初的活塞螺旋槳，發展到后來的渦輪螺旋槳、渦輪噴氣以及渦輪風扇動力系統，在氣動布局方面既有明顯的界限，也有一定的延續性。從推進系統的演變對民機氣動布局的影響入手，可以比較直觀地理清現代民用飛機氣動布局發展演變的脈絡。

2.1活塞/渦輪螺旋槳民用飛機

大功率活塞發動機匹配變距螺旋槳的航空推進技術在20世紀30年代已經非常成熟；同時，半硬殼式機身、懸臂梁機翼與應力蒙皮等結構形式已經積累了豐富的設計經驗。在這些技術的推動下，20世紀30年代成為活塞螺旋槳客機快速發展的時期，出現了多種成功機型，包括道格拉斯飛機公司著名的DC-3(如圖1所示[10])。

圖1美國道格拉斯飛機公司DC-3(活塞螺旋槳)[10]
Fig. 1DC-3 of Douglas Aircraft Companies in the United States (piston engine with propeller)[10]

DC-3飛機已經具備了現代民航客機的所有特征，全金屬半硬殼式結構、懸臂梁下單翼、機翼安裝2臺發動機、可收放式起落架以及寬大的近似圓柱形機身。事實證明這一設計非常成功，該機在20世紀40年代就已經處于世界航空運輸業的壟斷地位。截至二戰結束，該型飛機一共生產了13 000多架(包括其軍用型C-47)，成為世界上單一機型產量最多的運輸機[2,10]。

燃氣渦輪發動機在20世紀40年代趨于成熟，而英國最早嘗試將這種發動機應用于民航客機，相繼研發了渦輪螺旋槳動力的“子爵”客機和渦輪噴氣動力的“彗星”客機，2種機型均在20世紀50年代初投入商業運營。相比噴氣式客機，渦輪螺旋槳客機在燃油經濟性方面具有優勢，但飛行速度提升有限，運輸效率遠不及噴氣式客機，在大型客機的競爭中很快被噴氣式客機所取代，沒有成為現代客機的主流[2,11]。作為現代客機的一個分支，渦輪螺旋槳客機憑借燃油經濟性較好、使用維護成本低、機場適應性好等特點在支線航空領域占據一席之地。

2.2渦噴/渦扇民用飛機

世界上第一種噴氣式客機是由英國德哈維蘭公司生產的“彗星”客機，它于1949年出廠，1952年投入航線運營[12]，其氣動布局如圖2所示。

“彗星”客機配備4臺由羅羅公司生產的渦輪噴氣發動機，采用后掠機翼，機身采用鋁制蒙皮，使用增壓客艙。可以看出，“彗星”客機基本上繼承了DC-3的氣動布局設計，將發動機安裝在機翼根部，對噴氣式發動機采用了內埋設計。這種安裝方式使得發動機的維護操作困難，對于噴氣式客機來說是一種不成功的設計。1954年，投入運營不久的“彗星”客機連續2次墜毀，給這一機型造成致命打擊。通過對事故的調查分析，工業界對金屬疲勞問題有了新的認識，進而改進了噴氣式客機增壓客艙的設計方式[13-14]。但是“彗星”客機因為不夠成熟的設計，很快退出了噴氣時代航空運輸市場的競爭。

圖2英國德哈維蘭公司生產的“彗星”客機[12]
Fig. 2“Comet” airliner of de Havilland in Britain[12]

20世紀50年代發展的波音707是美國第一種噴氣式客機，也是噴氣時代民航工業誕生的第一個經典機型，對后續噴氣式客機氣動布局設計具有深遠影響[15]。與此同時，渦輪風扇發動機也開始出現并逐步完善。早期的波音707客機采用普惠公司JT4A渦輪噴氣發動機；后續改進型陸續換裝了普惠公司JT3D渦輪風扇發動機。作為波音707系列中采用渦扇發動機的加長型，波音707-320B型客機已經將原型機的商載航程提高了1/3，同時具有很好的燃油經濟性，取得了商業成功。

隨著渦輪風扇發動機技術的不斷完善，其在可靠性、推重比、燃油效率等方面相比渦噴發動機有了全方位的提升。波音公司在20世紀60年代推出了翼吊雙發布局中短程客機波音737；道格拉斯公司也研制出尾吊雙發布局的DC-9與之競爭。波音737與MD-82(DC-9派生型)氣動布局對比如圖3所示[16-17]。

歐洲國家在20世紀60年代末至70年代初組建了空中客車公司，推出了第一種雙發中短程寬體客機A300，并且提出了將雙發飛機延程飛行時間限制放寬至90 min的建議。這一建議得到了國際民航組織的認可，并逐步在世界范圍內推廣，也促使美國適航當局逐步放寬了對雙發飛機60 min延程飛行時間的限制。隨著適航條例對雙發飛機延程飛行限制的放寬，3發寬體客機很快失去競爭優勢而淡出市場[18]。在中短程單通道客機的競爭中，尾吊發動機布局因為重心變化范圍大、結構重量較大、發動機拆裝維護難度大等缺點，在100座級以上機型中相比翼吊雙發布局處于劣勢。在隨后的發展歷程中，雙發翼吊布局形式成為民用飛機氣動布局的主流，催生出了波音737、767、777以及空客A320、A330等多種成功機型。民用航空工業激烈的競爭選擇形成了民用飛機常規氣動布局形式，使雙發翼吊布局在常規氣動布局中成為主流，同時也使多家制造商因為某些機型的失敗而淡出民用航空市場，最終形成了波音和空客雙方對陣的格局。

圖3波音737與MD-82的氣動布局對比[16-17]
Fig. 3Aerodynamic configuration comparison between B737 and MD-82[16-17]

A330是在A300基礎上發展起來的雙發寬體客機，它與3發寬體客機DC-10的氣動布局對比如圖4所示[19-20]。

圖4A330與DC-10的氣動布局對比[19-20]
Fig. 4Aerodynamic configuration comparison between A330 and DC-10[19-20]

3推動民用飛機發展的技術因素

從現代民航客機的發展歷程可以看出，推動氣動布局設計發展的技術因素主要是航空發動機、氣動設計、結構設計等3個方面，隨著主動控制技術在客機上的成功應用，飛行控制技術也成為影響民機氣動布局發展的重要因素。

3.1航空發動機

發動機的布置是飛機氣動布局設計的重要方面，同時也直接影響飛機的最終氣動布局形成。隨著航空推進技術的進步，民用飛機推進系統從最初的活塞螺旋槳發動機進入噴氣時代。今天，大型高涵道比渦扇發動機已成為民用飛機推進系統的主流。

航空活塞螺旋槳發動機在20世紀30年代發展成熟，出現了以普惠公司“雙黃蜂”為代表的大功率星型風冷活塞發動機，該型發動機裝配DC-3飛機，助力DC-3成為活塞動力時代最成功的運輸機型號。活塞發動機在二戰期間得到了很好的發展，雙排星型氣冷與V型水冷成為大功率航空活塞發動機的2種典型形式，不同形式的活塞發動機也直接影響了當時的飛機氣動布局設計[2]。

水冷方式對于提升活塞發動機的功率有天然的優勢，而且便于使用廢氣渦輪增壓技術；相對于星型布置，V型布置方式具有細長的外形，更利于減小迎風面積和進行整流設計，以降低阻力。這些特點使大功率活塞發動機趨向于采用V型水冷形式，但是隨著噴氣式發動機這一革命性技術的出現，活塞發動機很快退出了客機推進系統的競爭舞臺，僅在通用航空的輕型飛機市場占據一席之地。

民用航空從20世紀50年代開始正式進入噴氣時代，而渦扇發動機很快取代了渦噴發動機，并且成為民航客機推進系統的主流。渦扇發動機自身也向著不斷提高涵道比以提升燃油經濟性的方向發展[21]。圖5給出了噴氣式發動機的發展趨勢[4]，可以看出，當前的大涵道比渦扇發動機相比早期的渦噴發動機在燃油經濟性方面有了很大的提升。

圖5噴氣式發動機的發展趨勢[4]
Fig. 5Development trend of jet engines[4]

渦扇發動機涵道比的不斷增大也帶來了風扇直徑增大、推進系統重量增加、短艙設計與安裝困難等一系列問題。為了在燃油經濟性以及綜合性能方面取得平衡，發動機制造商也在不斷嘗試引入新技術對傳統噴氣式發動機進行革新，這些新技術包括開式轉子發動機、新一代高涵道比渦扇發動機(GEnx系列)以及新型齒輪傳動渦扇發動機(PW1000G)等[22-26]，如圖6所示。

圖6發動機制造商推出的新型發動機方案[22-26]
Fig. 6New engine designs of engine makers[22-26]

總的來說，以渦扇發動機為基礎的民航推進系統技術進步不足以改變業已形成的客機氣動布局形式。隨著電動推進技術的不斷進步，人們已經開始了混合動力系統與電動分布式推進系統應用于民用飛機的研究，NASA、波音和空客等研究機構分別提出了基于混合/分布式推進系統的民用飛機設計方案，并且開始了相關的驗證研究[27]。

3.2氣動設計

空氣動力學是在流體力學的基礎上成長起來的一個學科。經典流體力學理論在18～19世紀開始出現并形成基礎；進入20世紀后，隨著航空科技的迅速發展，空氣動力學從流體力學中脫胎而出，成為力學的一個重要新分支。經典空氣動力學理論在20世紀初基本完善，為現代航空器的設計提供了可以實現工程應用的分析方法。風洞從20世紀中葉開始大量建造并被廣泛應用于空氣動力學研究和航空領域的工程設計；與此同時，隨著計算機技術的發展，計算機的求解能力與空氣動力學的數值計算方法相結合，催生出了計算流體力學(CFD)。CFD具備成本低、效率高、應用方便等特點，50多年以來迅猛發展，已經成為飛機氣動布局設計的首要工具[28]。

長期在NASA蘭利研究中心從事風洞試驗研究的空氣動力學家Whitcomb分別于1952年和1967年提出面積律理論和超臨界翼型，隨后又通過風洞試驗對翼梢小翼的設計做了大量研究；這些技術成果直接影響了超聲速與高亞聲速飛機的氣動外形設計[29-30]。而CFD分析程序從20世紀70年代開始成熟，并逐步成為指導飛機氣動設計的有效工具。以航空工業界應用非常成功的“flo”和“syn”系列軟件為例，致力于計算空氣動力學研究的Jameson教授在1970年推出第一個版本，經過30多年的發展，形成了涵蓋全速勢方程、歐拉方程以及Navier-Stokes方程的一系列CFD分析程序，并且成功應用于眾多民用飛機型號的氣動設計[31-32]。

NASA在2013年提出了未來15年CFD發展的路線圖，明確了在高性能計算機、物理模型、數值算法以及工程應用等方面的技術路線[33]。路線圖規劃中指出，未來民機的氣動布局設計將更加依賴于CFD分析能力；此外，氣動設計水平的不斷提升可能會使越來越多的新型布局形式應用于民用飛機。

3.3結構設計

第一次世界大戰促使當時航空技術的快速發展，飛機的結構形式和制造工藝也隨之豐富。一戰后，出現了全金屬半硬殼式機身、懸臂梁機翼、可收放式起落架等符合現代民用飛機特征的結構形式；飛機結構設計理論和方法也開始發展，出現了按靜強度準則的設計載荷法。隨著飛機飛行速度的提高，全金屬飛機成為主流，在結構設計中也引入了剛度準則和考慮氣動彈性問題的設計方法，為大型民用飛機的出現奠定了基礎[34-35]。

第二次世界大戰之后，噴氣式飛機迅速發展，噴氣式客機也進入了航空運輸市場。噴氣式客機發展的最初幾年內，連續出現因金屬疲勞而造成的災難性事故。特別是世界上第一種噴氣式客機“彗星”，在1年內連續出現2次空中解體事故，造成大量乘客和機組人員遇難。通過深入的調查和研究分析，航空工業界認識到金屬結構疲勞問題的嚴重性，進而在結構設計中引入了防止金屬疲勞的安全壽命設計理念。隨著飛機性能和設計要求的不斷提高，結構設計中又相繼引入了損傷容限和耐久性設計，發展了新的結構可靠性設計方法[36]。

民用客機采用的圓形或近似圓形機身、圓形或以大半徑圓弧倒角的口蓋與舷窗等特征，都是隨著設計方法進步而演變出現的。與結構設計方法的進步相對應，結構分析方法也從最初的強度/剛度校核迭代、工程梁簡化分析進化到基于數值計算的有限元分析；隨著計算機性能不斷提升，結構有限元求解的規模和精度也得到了很大提高。高性能碳纖維復合材料以及新型金屬材料在飛機結構部件中廣泛采用，對結構設計方法、準則以及分析工具等提出了許多新的要求；另一方面，采用新型氣動布局形式的飛機，例如非圓截面機身增壓艙、帶支撐桿或前后聯結的非懸臂梁機翼等結構特征，也對傳統結構設計和材料工藝提出了新的挑戰。

3.4飛行控制

美國在20世紀70年代率先在飛機設計領域提出了主動控制技術，即在飛機設計的初始階段就考慮到飛行控制系統對總體設計的影響，以充分發揮飛控系統功能[37]。這一技術最早應用于軍機，使控制增穩系統從第三代戰斗機開始逐步普及，軍機的本體完全可以按照靜不穩定進行設計，極大地提高了飛機的機動性。主動控制技術也使無尾飛翼氣動布局的穩定飛行成為可能，并使該布局形式在B-2隱身轟炸機上得到成功應用。

放寬靜穩定度(Relaxed Static Stability， RSS)是主動控制技術的典型應用之一，在20世紀90年代之后出現的客機中有部分型號采用了這一技術。客機采用放寬靜穩定度設計，主要是為了減小配平阻力，從而提高飛機的燃油經濟性[37]。通常情況下，采用RSS技術的客機尾翼面積會顯著減小，機身縮短或機翼位置前移，如圖7所示[38]。

圖7民用飛機采用放寬靜穩定度(RSS)設計的特點[38]
Fig. 7Design features of civil aircraft with relaxed static stability (RSS)[38]

采用RSS技術設計的飛機普遍采用電傳操縱系統。空中客車公司最早將電傳操縱系統應用于大型客機，在A320誕生以后發展的機型普遍采用了電傳操縱系統和RSS技術；波音公司的767、777、787等客機也采用了電傳操縱系統和RSS技術。隨著主動控制和電傳操縱技術的逐步普及，應用RSS技術已經成為先進客機設計的必然趨勢。

翼身融合體(Blended Wing-Body, BWB)氣動布局一直是民航工業界關注的重點，而BWB要充分發揮高升阻比的優勢必須采用放寬靜穩定度設計，因此需要借助主動控制技術實現BWB客機的總體設計。從本質上說，BWB布局需要在氣動、操穩(包括飛控)一體化設計技術的基礎上實現。

4未來民用飛機的發展方向

在可以預見的未來，常規布局客機仍將主宰民航運輸市場，但會不斷采用成熟的新技術提升性能以適應市場發展的需求。當推動民用飛機發展的技術取得突破性進展的時候，采用新氣動布局形式的民機會迅速進入市場，有望改變民航運輸市場的格局。因此，理清不同氣動布局形式背后起決定作用的技術因素是判明未來民用飛機發展方向的關鍵。

4.1采用新技術的常規布局客機

以常規布局為基礎，采用先進技術提升性能，仍然會是未來較長一段時期內民用飛機發展的主要方向。這些先進技術主要包括新型發動機、氣動減阻、多電/全電機載系統、先進航電系統，以及新材料與新型制造工藝等。

采用新型發動機是客機最常使用的技術升級方式，對于燃油經濟性、噪聲和排放等方面的性能提升效果也最為直接有效。提高涵道比是渦扇發動機更新換代的主要方向，同時也意味著發動機風扇直徑的增大；采用三軸式構造或齒輪傳動風扇是為了大幅度提高風扇效率，同時也增加了結構復雜度；開式轉子發動機采用無涵道的外露葉片，外露部分轉子的直徑通常大于同級別渦扇發動機的外涵道。這些結構上的差別必然導致短艙外形的改變，為飛機與發動機的匹配設計以及發動機的安裝帶來新的挑戰，需要綜合考慮氣動外形、機體結構以及發動機短艙構造等多個方面。

氣動減阻技術一直是運輸類飛機的研究重點，加裝翼梢小翼、機翼與發動機短艙安裝導流片等都是常用的減阻改進方式，層流機翼也一直是飛機減阻技術的重點研究方向。相對于采用吸氣或吹氣方式的層流控制技術，自然層流技術沒有附加能量消耗又不需要增加通氣構造，通過機翼外形及蒙皮的精細化設計就有可能實現。

在常規布局客機的市場競爭中，發動機尾吊布局輸給了發動機翼吊布局，只占據很小的市場份額。但是，尾吊布局在換裝開式轉子發動機方面具有天然優勢，再加上無短艙吊掛的干凈機翼有利于實現自然層流技術，因此，在新一代常規布局客機的預研中，尾吊布局再次受到關注，多家研究機構都給出了配裝開式轉子發動機的尾吊布局客機方案[39]，如圖8所示。

減小機翼后掠角有利于機翼自然層流的保持，但會影響阻力發散馬赫數。有研究表明，通過機翼上表面鼓包可以有效抑制激波，與增大機翼后掠角具有同等的效果[40]。有研究機構以此為基礎提出了尾吊開式轉子發動機、小后掠角自然層流機翼帶激波控制鼓包的新一代常規布局民機設計方案[41]，但是方案要走向工程應用還有待于各專項技術的成熟。

圖8新一代常規布局民機配裝開式轉子發動機方案[39]
Fig. 8New-generation normal configuration civil airliner with open rotor engines[39]

多電/全電技術是以發動機發電作為機載系統的能源，取代傳統的發動機引氣或驅動液壓源的能源方式。隨著發電機、蓄電池、各類電作動系統的技術成熟，多電飛機已經成功進入市場。隨著各類電力機載系統的進一步完善，以電力作為機載系統的二次能源將成為必然趨勢，全電客機也將成為現實[42]。

此外，航空電子系統、先進復合材料、先進制造工藝等多個領域的研究成果越來越多地應用到民用飛機中，這些先進技術全面提升了常規布局民機的性能，支持著常規布局民用飛機在未來很長一段時期內主宰民航市場。

4.2采用新型氣動布局的高亞聲速民機

BWB一直都是非常規氣動布局運輸機設計最為關注的布局形式之一(如圖9所示)[43-44]，具有氣動效率高、結構效率高、內部空間大等優點，但同時也在操穩特性、飛行控制、非圓截面增壓艙結構設計、適航性(主要是翼展和應急撤離)、舒適性以及系列化發展等方面存在難題，其中操穩與飛控設計是BWB布局能否成功應用于民機的決定因素[44-45]。

要充分發揮BWB布局的巡航氣動效率，就要放寬其本體靜穩定性，而要保證客機的飛行安全又要求在自動飛控系統失效的情況下具備一定的靜穩定裕度。準確運用氣動、操穩、飛控一體化設計技術，在保證飛行安全的前提下充分發揮特有的氣動效率優勢，是BWB布局客機能夠成功的關鍵。

升力體機身(Double Bubble, 又稱雙氣泡)布局是一種介于常規布局與翼身融合布局之間的過渡形式，它是將常規的細長型近似圓柱體機身按展向放寬至大約2個圓形截面的寬度(如圖10所示)[43-44]。一方面，加寬的機體可以產生一部分升力，提高巡航氣動效率；另一方面，機身在縱向沒有縮短，仍然可以安裝垂平尾，保證了與常規布局相近的操穩特性。而且，機身的增壓艙仍然可以按照圓形截面來完成結構設計，客艙布置難度降低，也易于滿足應急撤離的適航要求。該布局形式的主要問題是機身在產生升力的同時會產生波阻，因此，如何提高升力體機身的阻力發散馬赫數是這種布局設計的難點。

圖9翼身融合體(BWB)布局民機概念方案[43]
Fig. 9Airliner conceptual design of blended wing-boby (BWB) configuration[43]

圖10升力體機身布局民機概念方案[43]
Fig. 10Airliner conceptual design of double bubble
configuration[43]

運輸類飛機追求巡航效率。巡航效率可以表述為巡航速度與升阻比的乘積，它反映了飛機的航程能力。增大展弦比、降低誘導阻力是提高運輸類飛機巡航升阻比的一條有效途徑，而對于懸臂梁機翼來說，增大展弦比的同時保證一定剛度會付出很大的結構重量代價。支撐翼(Truss- Braced Wing)形式是在機翼下方通過斜撐桿與機身相連(如圖11所示[43])，使機翼的結構形式由懸臂梁轉變為外伸梁，通過斜撐桿提高了整個機翼的結構剛度，有效控制了機翼結構重量的增加[46-47]。支撐翼布局是對大展弦比機翼結構的一種補充，改善剛度的效果有限，且機翼展長的增加受到機場適應性與適航方面的限制，這些因素限制了支撐翼布局的應用范圍。

圖11支撐翼氣動布局民機概念方案[43]
Fig. 11Airliner conceptual design of braced wing
configuration[43]

聯結翼(Joined-wing)布局又稱盒式翼(Box-wing)布局(如圖12所示[48])，它是一種通過前后機翼聯結來改善機翼結構剛度的氣動布局形式，不但增大了機翼的有效展弦比，而且以前后翼相聯結來構成一個封閉盒段的方式提高機翼整體的結構剛度，在巡航效率與結構重量之間取得較好的平衡[48-49]。從本質上說，聯結翼布局是氣動結構一體化設計的產物，對氣動設計與結構設計的技術水平都有較高要求。

圖12聯結翼氣動布局民機概念方案[48]
Fig. 12Airliner conceptual design of joined-wing
configuration[48]

4.3采用混合/分布式動力系統的民機

在低碳節能的大趨勢下，電動推進技術逐漸走向成熟，混合動力系統與分布式電推進動力系統出現在新一代民機的概念設計中。混合動力系統是將渦輪發動機的大部分能量轉換為電能，再由電力驅動風扇(或螺旋槳)產生推進力。它的優點是，減小了渦輪核心機的尺寸和重量，使渦輪核心機長時間運行在最高效率的設計點附近，使得由電機驅動的風扇高效率運轉，整個動力系統可以在不增加風扇直徑的前提下進一步提高涵道比。這些優點使得混合動力系統具有很高的燃油經濟性。空客與羅羅公司聯合提出一種采用混合動力系統的客機概念方案“E-Thrust”(如圖13所示[50])，它是由位于尾部的主渦輪發動機帶動位于翼根上側的電動涵道式風扇構成混合動力系統。

圖13采用混合動力系統的客機概念方案[50]
Fig. 13Airliner conceptual design with hybrid propulsion system[50]

在混合動力系統的基礎上，減小風扇推進器的尺寸并增加其數量，形成分布式動力系統，可以進一步提高動力系統的綜合效率，提高燃油經濟性，也可以為動力增升與輔助控制提供驅動力，是一種更具發展前景的先進推進技術。有研究表明，分布式推進與翼身融合布局相結合，可以充分發揮翼身融合的優勢，得到更高的綜合收益[27,51]。圖14為NASA提出的一種分布式推進技術應用于BWB客機的概念方案[51]。

圖14NASA提出的分布式動力翼身融合布局客機概念方案[51]
Fig. 14Airliner conceptual design of BWB configuration with distributed propulsion system proposed by NASA[51]

電動機的效率、體積、重量和散熱等方面的問題是混合/分布式動力系統面臨的首要限制條件；電力傳輸效率也是影響混合/分布式動力系統綜合收益的關鍵因素。混合/分布式動力系統的成熟仍然有待于電力驅動技術水平的進一步提高。

4.4超聲速客機

對速度的追求一直是航空工程的一個重要方向，民用飛機也不例外，超聲速客機是未來客機發展的重要方向。唯一投入航線運營的超聲速客機“協和”在2003年全部退役，目前世界范圍內的超聲速客運處于空白期[52]。超聲速客機的巡航馬赫數可以達到2左右，以“協和”客機為例，從倫敦飛到紐約僅需要不到3 h，相比一般的高亞聲速客機縮短了一半以上時間。為滿足超聲速飛行的需求，“協和”采用大長細比的機身，載客量低；而且耗油率高，運營成本高,此外還存在超聲速聲爆問題。這些問題使“協和”客機在實際運營中受到了很多限制。在新一代超聲速客機的研發中，燃油經濟性與超聲速聲爆仍然是決定其能否成功運營的技術難點。

工業界一直沒有停止針對超聲速客機的預研和技術儲備，最近幾年也提出了一些超聲速公務機和超聲速客機的概念方案。相對來說，超聲速公務機更容易利用現有技術得到滿足需求的解決方案。圖15為灣流公司提出的超聲速公務機概念方案，計劃采用變后掠翼實現高低速飛行狀態的協調，采用超長的機頭錐分解激波抑制聲爆，同時還論證了使用變循環發動機的可行性[53]。

圖15灣流公司 “安靜超聲速噴氣機”(QSJ)方案[53]
Fig. 15“Quiet supersonic jet” (QSJ) design of
Gulfstream[53]

波音公司早在20世紀60年代就是超聲速客機發展的支持者，參與NASA的超聲速客機預研項目并在競爭中勝出，立項研制“2707型”超聲速客機作為在民航市場取代波音747的主力機型，但由于耗資巨大又看不到商業前景，項目被迫終止，波音747反而成為迄今最為成功的大型遠程寬體客機[54]。NASA在20世紀90年代再度提出高速商用運輸機(HSCT)計劃，波音公司也是其中的主要參與者，給出了研究規劃和概念方案，但該項目于1999年取消，波音的超聲速客機設計方案再一次無疾而終。

在NASA的先進民機中長期規劃中，超聲速客機再一次被列入，各大民機制造商都推出了自己在不同發展階段的概念方案。波音公司分別提出了100座級的765-072B方案和30座級的765-076E(如圖16所示)方案[55]。

圖16波音公司765-076E超聲速客機方案[55]
Fig. 16765-076E supersonic jet design of Boeing[55]

洛馬公司在L1011項目失敗之后退出了民用飛機市場的競爭，但一直在等待新的機會出現，最近也積極參與了NASA的先進民機發展計劃。在高亞聲速民機方向提出了聯結翼布局方案；在超聲速客機方向，提出了不同發展階段的概念方案[56]。

圖17給出了洛馬公司的100座級先進超聲速客機方案，及其與“協和”客機的外形對比[52, 56]。可以看出，新一代超聲速客機的概念方案與第一代超聲速客機外形相比變化很大，反映了航空工業界在音爆抑制、氣動設計以及超聲速推進技術等方面的最新研究成果。

圖17洛馬公司超聲速客機方案(與“協和”對比)[52, 56]
Fig. 17Supersonic jet design of Lockheed (versus “Concorde”)[52, 56]

可以看出，在新一輪的超聲速客機發展規劃中，各大制造商均采用先易后難的發展策略，逐步運用已經成熟和預期很快成熟的技術來達成目標。其中，機頭長錐音爆抑制技術被普遍采用，變循環發動機被明確列入需求，箭形機翼設計成為先進超聲速民機概念方案的共同特點。

5民機發展對總體設計的需求和挑戰

除了安全性、經濟性之外，未來民機的舒適性和環保性日益受到人們的重視。隨著全球范圍對環境問題的關注，綠色航空概念為世界航空業所接受，環保性要求成為限制新一代民用飛機運營的門檻。在民用飛機預研體系中，越來越多的新技術被引入，以應對日益嚴苛的設計要求挑戰。飛機設計本身是一項復雜的系統工程，具有典型的多學科集成特征。飛機總體設計技術是綜合集成各學科專項技術，滿足設計目標與要求，實現方案工程化設計的方法論。通過對總體設計技術的研究，一方面可以判定各專項技術在總體方案上應用的綜合收益，為各學科的研究明確目標和方向；另一方面可以提供適合于專項新技術應用的設計方案，為充分應用各學科最新研究成果提高方案總體性能創造條件。

5.1新技術條件下民機總體設計需求

針對未來民用飛機，NASA提出了面向2020—2030年的中長期規劃，明確了未來民機的性能指標[44,48,57]。其中“N+2代”民機(預計2020—2025年服役)最引人注目，其噪聲相對第4階段標準降低42 dB，NOx減排75%，油耗相當于波音777的50%。針對這一目標，NASA推動了“環保飛機”(Environmentally Responsible Aviation, ERA)計劃，波音、洛馬等制造商分別提出了各自的概念方案。后續發展規劃中，NASA對“N+3”代飛機(預計2030—2035年服役)提出了更加嚴苛的指標要求，噪聲相對降低71 dB，NOx減排超過75%，油耗要求相當于波音777的30%。歐洲航空研究咨詢委員會(ACARE)也提出了2020年民機的環保指標，計劃比2000年噪聲水平降低50%、NOx排放降低80%、CO2排放降低50%。針對這一目標，歐盟在其第7框架研究計劃中推出了“潔凈天空”(Clean Sky)計劃，其中明確了6個專項研究領域[58]；在此基礎上還進一步追加投入，繼續開展面向2050年的第2期計劃“潔凈天空”2(Clean Sky 2)。

面對上述需求，未來民機設計必須綜合集成各學科專項技術的最新研究成果，才有可能實現經濟性與環保性方面的目標。無論是新技術還是新型氣動布局的應用，都對未來民機的總體設計技術提出了更高的要求[59]。首先，需要具備面向新技術及新型氣動布局的各學科分析模型，由于缺少經驗數據與方法的支持，分析模型要以數值分析方法為基礎構建；其次，需要有適合大規模數值分析求解與綜合集成優化的計算機協同處理技術，可以針對不同類型的飛機總體設計任務構建合適的分析、設計與優化流程；第三，需要將飛機設計流程與項目管理流程相結合，在滿足方案設計要求的同時為型號預研與技術預研提供數據分析支持。

5.2計算機輔助飛機設計與多學科設計優化

現代飛機總體設計技術已經與計算機輔助設計技術充分結合，將飛機設計的主要流程和分析都通過計算機程序化實現。計算機輔助飛機設計技術在20個世紀60年代末到70年代初出現，發達國家的航空工業界在多年設計經驗與技術積累的基礎上開展研究，結合飛機型號設計任務在工程實踐中加以應用，取得了一定的成效。20世紀90年代后，各大航空工業集團吸收整合了一系列核心科研成果和技術，相繼建立起比較完善的飛機綜合設計系統和信息技術架構，大幅提高了自身的科研實力和技術水平。進入21世紀，飛機設計和計算機技術領域涌現出很多新的研究成果，推動了相關高校和研究單位繼續在計算機輔助飛機設計領域開展研究，提出了一些新的研究內容和技術框架[60-63]。

早期的飛機設計CAD系統通常包括圖形工具、分析程序和數據庫3部分。隨著數值分析技術的進步，現代的飛機設計CAD系統又引入了參數優化和數值仿真等功能；學科分析模型的類型有所增加，分析精度也不斷提高[64-65]。另一方面，在計算機專業領域，高性能工作站、并行處理、分布式集成以及網絡化等技術迅速發展，為飛機設計中各學科的數值分析、數據交換和集成優化提供了基礎。在此背景下，美國AIAA于20世紀90年代初正式提出了多學科設計優化(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)這一研究領域，它是通過探索和利用系統中相互作用的協同機制來設計復雜系統的方法論。MDO在飛機設計中應用是計算機輔助飛機設計技術在內容上的擴展和延伸，同時也對技術的應用提出了更高的要求[66-67]。

基于MDO的飛機總體設計技術是以各學科數值分析模型為基礎，借助計算機數值計算與數據處理的協同技術，將各學科的分析流程有機集成在一起，實現方案的多輪迭代優化設計。它以數值分析代替傳統計算機輔助參數化設計中的統計數據、工程估算或經驗公式等方法，提高了計算精度和可信度，適用于新概念飛機以及采用新技術的飛機。同時，MDO框架有利于各專業學科的設計人員更新分析模塊，也有利于總體設計人員針對不同類型飛機或不同層次設計任務靈活地變更設計流程。經過多年的發展，基于MDO的飛機總體設計技術已經在航空工業界受到普遍關注，國內外相關研究單位也競相開展MDO平臺的開發工作。波音、空客等主要民機制造商也在嘗試將MDO技術引入客機的設計過程[68]。可以預見，MDO技術必將成為民用飛機總體設計的重要方法和工具。

飛機多學科設計優化逐漸發展成為集設計、分析、優化、學科集成、數據和項目管理等功能為一體的綜合應用技術。飛機設計領域的計算機技術趨向于網絡化、智能化、一體化和系列化，專業劃分更加細致明確[69]。新技術條件下構建飛機多學科設計優化系統的工作需要航空工業單位、科研院所、IT技術公司和高等院校廣泛合作才能更好地完成，這樣可以體現出各部門的專業特色，充分發揮它們在型號研制、技術開發和理論研究等方面的作用。

由此可見，隨著飛機設計技術與計算機輔助工程的不斷進步，傳統計算機輔助飛機設計已經發展成為大系統集成框架下的MDO技術[70-71]。而基于MDO的飛機設計技術是應對未來民機總體設計需求與挑戰的一條有效途徑，成為面向未來民機總體設計技術研究的熱點之一。

6總結

從民用飛機的發展歷史可以看出，航空發動機、氣動設計、結構設計以及飛行控制等方面的技術進步是推動民用飛機氣動布局形成和演變的決定因素。未來民用飛機的發展也離不開各方面基礎技術的發展成熟。充分運用總體設計技術，從飛機總體方案的角度分析各個學科技術對總體方案最終形成的影響，可以理清決定總體方案最終形成的技術因素。

在新一代民用飛機的預研中，充分發揮總體分析的作用，深入研究各類氣動布局中起決定性作用的技術因素，才能明確不同氣動布局發展所需的技術條件和面臨的技術風險，從而準確把握先進民機氣動布局的發展脈絡，為新一代民機的預研做好技術支撐。

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張帥男， 博士。主要研究方向： 飛機總體設計， 多學科設計優化。

Tel: 010-57808171

E-mail: zhangshuai@nuaa.edu.cn

夏明男， 博士， 工程師。主要研究方向： 飛機總體設計， 計算空氣動力學。

Tel: 010-57808804

E-mail: xiaming@comac.cc

鐘伯文男， 博士， 研究員。主要研究方向： 飛機總體設計， 計算空氣動力學。

Tel: 010-57808802

E-mail: zhongbowen@comac.cc

Received： 2015-10-20; Revised: 2015-11-10; Accepted: 2015-11-17; Published online: 2015-11-2613:51

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151126.1351.008.html

Evolution and technical factors influencing civil aircraft aerodynamic configuration

ZHANG Shuai1, 2, XIA Ming1, ZHONG Bowen1, *

1. Department of Aircraft Configuration Studies, Beijing Aeronautical Science & Technology Research Institute of COMAC, Beijing102211, China2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing210016, China

Abstract:Technology is a basic impetus on the development and evolution of the civil aircraft aerodynamic configuration. In order to study the development directions, technical requirements and strategies for the future civil aircraft, this paper reviews the development of civil aircraft aerodynamic configuration and then summarizes four technical factors, i.e., aeroengine, aerodynamic design, structural design and flight control, which have important influence on the formation and evolution of the modern civil aircraft aerodynamic configuration. The role of these technical factors in the development of the civil aircraft aerodynamic configuration has also been revealed. Considering the new requirements for the future air transportation, this paper points out the main developing directions of the future civil aircraft, and emphatically analyzes the aerodynamic configurations such as blended wing-body, double bubble body, braced-wing and joined-wing, which might be used in the future unconventional civil aircraft. Furthermore, the challenge in technology development, as well as the technology strategies for the future civil aircraft conceptual design, has been discussed. Finally, the paper clarifies that the multidisciplinary design optimization is an effective method for the future civil aircraft conceptual design.

Key words:air transportation; civil aircraft; aerodynamic configuration; conceptual design; technical factors

*Corresponding author. Tel.： 010-57808802E-mail: zhongbowen@comac.cc

作者簡介：

中圖分類號：V221

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0030-15

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0311

*通訊作者.Tel.： 010-57808802E-mail: zhongbowen@comac.cc

收稿日期：2015-10-20; 退修日期: 2015-11-10; 錄用日期: 2015-11-17; 網絡出版時間: 2015-11-2613:51

網絡出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151126.1351.008.html

引用格式： 張帥, 夏明, 鐘伯文． 民用飛機氣動布局發展演變及其技術影響因素[J]． 航空學報, 2016, 37(1): 30-44. ZHANG S, XIA M, ZHONG B W. Evolution and technical factors influencing civil aircraft aerodynamic configuration[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 30-44.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn