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2003 年11 月26 日,随着“协和”超声速客机的正式退役,超声速商业旅行陷入沉寂.此后,许多研究团队一直在探索下一代超声速喷气式飞机的布局形式,特别是NASA 一直在持续研究和试验各种降低音爆的技术,但都局限在常规的单翼机平台上.然而,麻省理工学院的研究人员最近正在研究的一种超声速双翼机概念,可能解决导致“协和”客机停飞的燃油成本居高不下、声爆引发巨大噪声等许多问题.
从原理上看,这种解决方案似乎非常简单,即用两副机翼替代常规的一副机翼,可以称之为超声速双翼机.提到双翼机,人们通常会凭借直觉认为,它不会以很快的速度飞行,但是,直觉往往也会出错.目前,研究人员的理论分析和仿真计算表明,采用双翼布局的飞机有能力突破声障,实现超声速飞行.
早在20 世纪50 年代,德国工程师阿道夫·布斯曼就曾经设计过一种安静的超声速双翼机概念,巧妙借助两副机翼的构型特点,可以从根本上消除超声速下产生的激波.不过,这一设计方案的升力性能较差.目前,麻省理工学院航空航天系的助理教授王奇琦、博士后胡睿与斯坦福大学的教授安东尼·詹姆森等人正在采用空气动力学建模与仿真领域的最先进技术,复活布斯曼的双翼机,以探索这种概念在21 世纪是否具有发展潜力.
目前,他们已经展示了一个计算机模型,这是一种经过优化设计的双翼机.与常规的单翼机相比,它在超声速巡航速度下,可以显著减少阻力.据介绍,减少了阻力,意味着飞机可以减少飞行所需的燃料,也意味着飞机可以减少声爆.
超声速机翼的阻力:“现代”级驱逐舰装备实战型超声速舰舰导弹
从空气动力学来看,声爆是由超声速飞机产生的激波.通常情况下,当常规喷气式飞机接近声速时,飞机前部和后部的空气开始受到压缩,在飞机达到和超过声速时,空气的压力会突然增加,飞机的前、后产生两个巨大的激波,这就是声爆.对于地面人员来说,声爆听起来就像是论文范文炮声,因此十分令人烦恼,以至于美国和欧洲都严格禁止超声速民用飞机在陆地上空飞行.
布斯曼双翼机采用了两副对称安装的机翼,由于机翼剖面为均为三角形,就形成了一个带有喉部的通道.计算表明,这种设计作为一个整体,可以有效地消除每副机翼各自产生的激波.然而,布斯曼的设计方案缺乏有效升力,原因在于,两副机翼产生了一个非常狭窄的通道,只能流过有限的气流.在飞机加速到超声速过程中,通道的喉部可能会出现壅塞现象,产生难以置信的巨大阻力.这种设计尽管可以在超声速下出色地工作,却无法克服阻力达到超声速状态.为了解决阻力问题,麻省理工学院的研究人员设计了一个计算机模型,用于模拟布斯曼双翼机在各种速度下的性能.他们在12 种不同的设计速度下,模拟了700 种机翼构型,最后确定了一种具有最小阻力的最佳机翼形状.研究发现,在保持翼型之间的距离情况下,如果逐渐突出上方机翼的前缘和下方机翼的后缘,就能够大大消除壅塞状态.此外,研究还发现,将机翼剖面由三角形修改为论文范文形,即每副机翼的内表面设计得平滑一些,可以略微产生一个相对较宽的通道,使气流得以顺利通过,进一步改善性能.
这样,经过优化设计的布斯曼双翼机就能够在超声速状态下飞行,而产生的气动阻力只有“协和”超声速喷气式飞机的一半,潜在地好处则可以将飞行所需的燃油量减少一半以上.从有效载荷方面考虑,超声速双翼机起飞时,不仅必须携带乘客,而且还要携带燃油,如果能够减少燃油消耗,就可以减少所需携带的燃油量,从而可以减小机内燃油箱的结构尺寸.这是一种连锁效应.
该研究团队的下一步工作是设计一个更加全面的三维模型,用于计算影响飞行的其他因素,进而获得超声速双翼机的最佳设计.当麻省理工学院的研究人员们都在寻求一种优化设计机翼的途径来实现超声速飞行时,日本的一个研究小组已经在设计一种类似布斯曼双翼机的项目中取得了显著进展,其方法是通过采用活动部件,使机翼在飞行中可以改变形状,以达到超声速性能.
目前,许多研究人员都在想方设法地改进布斯曼的设计,因此在未来几年内,这个领域有可能会呈现出迅速发展的态势.如果研究进展顺利,用于技术验证的超声速双翼原型机将会问世.创新无止境,届时,更安静、更省油的双翼机有可能实现更加快捷、便宜的超声速旅行.
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