Смешанное тело крыла
Корпус смешанного крыла ( BWB ), также известный как смешанный корпус , гибридный корпус крыла ( HWB ) или фюзеляж с несущим аэродинамическим крылом , [1] представляет собой самолет с неподвижным крылом, не имеющий четкой разделительной линии между крыльями и основным корпусом летательного аппарата. [2] Самолет имеет четкие конструкции крыла и фюзеляжа, которые плавно переходят друг в друга и не имеют четкой разделительной линии. [3] Это контрастирует с летающим крылом , у которого нет отдельного фюзеляжа , и несущим телом , у которого нет отдельных крыльев . Конструкция BWB может быть бесхвостой , а может и не быть .
Основное преимущество BWB заключается в уменьшении площади смачивания и сопутствующего сопротивления формы, связанного с традиционным соединением крыла с корпусом. Ему также может быть присвоен широкий корпус в форме аэродинамического профиля, позволяющий всему кораблю создавать подъемную силу и, таким образом, уменьшать размер и сопротивление крыльев.
Конфигурация BWB используется как для самолетов , так и для подводных планеров .
История
[ редактировать ]
В начале 1920-х годов Николя Воеводский разработал теорию BWB, и после испытаний в аэродинамической трубе Вестлендский дредноут был построен . Он заглох во время своего первого полета в 1924 году, серьезно травмировав пилота, и проект был отменен. Идея была снова предложена в начале 1940-х годов для проекта авиалайнера Miles M.26 , и Miles M.30 для ее исследования был построен исследовательский прототип «X Minor». Прототип перехватчика McDonnell XP-67 также поднялся в воздух в 1944 году, но не оправдал ожиданий. 1944 года Burnelli CBY-3 Loadmaster представлял собой конструкцию со смешанным крылом, предназначенную для операций в кустарниках в Канаде. [4]
НАСА и McDonnell Douglas вернулись к этой концепции в 1990-х годах с искусственно стабилизированной 17-футовой (5,2 м) моделью (масштаб 6%) под названием BWB-17, построенной Стэнфордским университетом , которая совершила полет в 1997 году и показала хорошие управляемые качества. [5] : 16 С 2000 года НАСА приступило к разработке исследовательской модели с дистанционным управлением и размахом крыльев 21 фут (6,4 м).
НАСА также совместно исследовало конструкции BWB для Boeing X-48 беспилотного летательного аппарата . [6] Исследования показали, что авиалайнер BWB, перевозящий от 450 до 800 пассажиров, может сэкономить более 20 процентов топлива. [5] : 21
Airbus изучает конструкцию BWB в качестве возможной замены семейства A320neo . Маломасштабная модель впервые совершила полет в июне 2019 года в рамках программы MAVERIC (Модель самолета для проверки и экспериментирования надежных инновационных средств управления), которая, как надеется Airbus, поможет ей сократить выбросы CO 2 до 50% по сравнению с 2005 годом. уровни. [7]
В концепции N3-X NASA используется ряд сверхпроводящих электродвигателей для приведения в движение распределенных вентиляторов, что позволяет снизить расход топлива, выбросы и шум. Энергия для привода этих электрических вентиляторов генерируется двумя сверхпроводящими электрическими генераторами с приводом от газовых турбин, установленными на законцовках крыла. Эта идея возможного будущего самолета называется «корпусом гибридного крыла» или иногда корпусом смешанного крыла. В этой конструкции крыло плавно вписывается в корпус самолета, что делает его чрезвычайно аэродинамичным и дает большие надежды на значительное снижение расхода топлива, шума и выбросов. НАСА разрабатывает подобные концепции для тестирования с помощью компьютерного моделирования и в качестве моделей в аэродинамических трубах, чтобы доказать, действительно ли возможные выгоды будут получены. [ нужна ссылка ]
2020-е годы
[ редактировать ]В 2020 году Airbus представил концепцию BWB в рамках своей инициативы ZEROe и продемонстрировал малосерийный самолет. [8] [9] В 2022 году Bombardier анонсировала свой EcoJet . проект [9] [10] [ нужен лучший источник ] В 2023 году калифорнийский стартап JetZero анонсировал свой проект Z5 , рассчитанный на перевозку 250 пассажиров и ориентированный на категорию новых самолетов для среднего рынка , рассчитывая использовать существующие двигатели CFM International LEAP или Pratt & Whitney PW1000G мощностью 35 000 фунтов силы (160 кН). [11] [12] В августе 2023 года ВВС США объявили о заключении с JetZero четырехлетнего контракта на сумму 235 миллионов долларов, кульминацией которого станет первый полет полномасштабного демонстратора в первом квартале 2027 года. Цель контракта — продемонстрировать возможности технологии BWB, что дает Министерству обороны и коммерческой отрасли больше возможностей для будущих воздушных платформ. [13] [14]
После этой разработки JetZero получила разрешение FAA на испытательные полеты своего Pathfinder, самолета-демонстратора со «смешанным крылом», предназначенного для значительного снижения лобового сопротивления и расхода топлива. Эта инновационная конструкция потенциально может снизить выбросы на 50%. Полномасштабное развитие JetZero запланировано на 2030 год. Планируется создать варианты для пассажиров, грузов и военного использования. Проект сталкивается с проблемами сертификации и интеграции с существующей инфраструктурой аэропортов. [15]
Характеристики
[ редактировать ]Широкие внутренние пространства, созданные в результате смешения, создают новые структурные проблемы. НАСА изучает обшивку из композитного материала из углеродного волокна, покрытого пеной , чтобы создать непрерывное пространство в салоне. [16]
Форма BWB минимизирует общую смачиваемую площадь – площадь поверхности обшивки самолета, тем самым снижая сопротивление обшивки до минимума. Это также приводит к утолщению корневой части крыла, что позволяет создать более эффективную конструкцию и снизить вес по сравнению с обычным самолетом. НАСА также планирует интегрировать реактивные двигатели со сверхвысокой степенью двухконтурности (UHB) в корпус гибридного крыла. [17]
Обычный трубчатый фюзеляж несет 12–13% общей подъемной силы по сравнению с 31–43%, которую несет центральный фюзеляж в BWB, где конфигурация промежуточного подъемного фюзеляжа, лучше подходящая для авиалайнеров с узким корпусом , будет нести 25–32% для самолета 6,1. –8,2% увеличение топливной эффективности . [18]
Потенциальные преимущества
[ редактировать ]- Значительные преимущества полезной нагрузки при стратегических воздушных перевозках , авиаперевозках , [19] и дозаправки в воздухе роль
- Повышенная топливная экономичность — на 10,9% лучше, чем у обычного широкофюзеляжного автомобиля . [18] до более чем 20%, чем у сопоставимого обычного самолета. [20] Отчет ВВС США за 2022 год показывает, что BWB «повышает аэродинамическую эффективность как минимум на 30% по сравнению с нынешними танкерами и мобильными самолетами ВВС». [21]
- Снижение шума — аудиомоделирование НАСА показывает на 15 дБ снижение шума самолетов класса Boeing 777 . [22] в то время как другие исследования показывают снижение на 22–42 дБ ниже уровня Stage 4 , в зависимости от конфигурации. [2]
Потенциальные недостатки
[ редактировать ]- Эвакуация BWB в чрезвычайной ситуации может оказаться непростой задачей. Из-за формы самолета расположение сидений будет театральным, а не трубчатым. Это накладывает ограничения на количество выходных дверей. [23] [24]
- Было высказано предположение, что интерьеры BWB будут без окон; [25] более поздняя информация показывает, что окна могут быть расположены по-другому, но влекут за собой те же потери веса, что и у обычного самолета. [26]
- Было высказано предположение, что пассажиры, находящиеся по краям салона, могут чувствовать себя некомфортно при крене крыла; [25] однако пассажиры больших обычных самолетов, таких как 777, в равной степени подвержены такому крену. [26]
- Центральный кессон должен быть высоким, чтобы его можно было использовать в качестве пассажирской кабины, а для балансировки требуется больший размах крыла. [27]
- BWB имеет больший вес пустого для данной полезной нагрузки и может быть неэкономичным для коротких миссий продолжительностью около четырех или менее часов. [27]
- Больший размах крыла может быть несовместим с инфраструктурой некоторых аэропортов, требуя складывания крыльев, как у Boeing 777X .
- Модифицировать конструкцию для создания вариантов разного размера обходится дороже, чем традиционный фюзеляж и крыло, которые можно легко растянуть или сжать. [27]
- Управление по тангажу и подъемная сила на низкой скорости создали проблемы для конструкций смешанного крыла. JetZero предложила новую конструкцию шасси для решения этих проблем в своей концепции Z-5 BWB. [11]
Список самолетов со смешанным корпусом крыла
[ редактировать ]
| Тип | Страна | Сорт | Роль | Дата | Статус | Нет. | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Аэробус Маверик | Многонациональный | БПЛА | Экспериментальный | 2019 | Прототип | 1 | [28] [29] |
| Боинг Х-45 | НАС | БПЛА | Экспериментальный | 2002 | Прототип | 2 | |
| Боинг Х-48 (С) | НАС | БПЛА | Экспериментальный | 2013 | Прототип | 2 | Два двигателя |
| Боинг Х-48 (Б) | НАС | БПЛА | Экспериментальный | 2007 | Прототип | 2 | Три двигателя |
| Локхид А-12 , М-21 и YF-12 | НАС | Джет | Разведка | 1962 | Производство | 18 | YF-12 был прототипом перехватчика. |
| Локхид SR-71 Блэкберд | НАС | Джет | Разведка | 1964 | Производство | 32 | |
| Нортроп Грумман Летучая мышь | НАС | Пропеллер/электрический | Разведка | 2006 | Производство | 10 | |
| Макдоннелл XP-67 | НАС | Пропеллер | боец | 1944 | Прототип | 1 | Профиль аэродинамического профиля сохранен повсюду. |
| Макдоннелл / НАСА BWB-17 | НАС | БПЛА | Экспериментальный | 1997 | Прототип | 1 | |
| Майлз М.30 | Великобритания | Пропеллер | Экспериментальный | 1942 | Прототип | 1 | |
| Роквелл Б-1 Лансер | НАС | Джет | Бомбардировщик | 1974 | Производство | 104 | Крыло изменяемой стреловидности |
| Tupolev Tu-160 | СССР | Джет | Бомбардировщик | 1981 | Производство | 36 | Крыло изменяемой стреловидности |
| Tupolev Tu-404 | Россия | Пропеллер | Авиалайнер | 1991 | Проект | 0 | Один из двух изученных вариантов |
| Вестлендский дредноут | Великобритания | Пропеллер | Транспорт | 1924 | Прототип | 1 | Почтовый самолет. Профиль аэродинамического профиля сохранен повсюду. |
В популярной культуре
[ редактировать ]Научно-популярный концепт-арт
[ редактировать ]
Концептуальная фотография коммерческого самолета со смешанным корпусом крыла появилась в ноябрьском номере журнала Popular Science за 2003 год . [30] Художники Нил Бломкамп и Саймон ван де Лагемаат из The Embassy Visual Effects создали фотографию для журнала с помощью программного обеспечения компьютерной графики, чтобы изобразить будущее авиации и воздушных путешествий. [31] В 2006 году изображение было использовано в рассылке по электронной почте, в которой утверждалось, что компания Boeing разработала реактивный лайнер на 1000 пассажиров («Boeing 797») с «радикальной конструкцией смешанного крыла», и компания Boeing опровергла это утверждение. [32] [33] [34]
См. также
[ редактировать ]- Аврора Д8
- Реактивный самолет Flying-V
- Список летающих крыльев
- Подъемный кузов
- Инициатива по бесшумным самолетам , исследование BWB
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рэгг, Дэвид В. (1973). Словарь авиации (первое изд.). Скопа. п. 177. ИСБН 978-0-85045-163-4 .
- ^ Jump up to: а б Томас, Рассел Х.; Берли, Кейси Л.; Олсон, Эрик Д. (2010). «Оценка шума системы самолета с гибридным крылом и аэроакустическими экспериментами с силовой установкой планера» (PDF) . Проверено 26 января 2013 г. Презентация заархивирована 16 мая 2013 г. на Wayback Machine.
- ^ Крейн, Дейл. Словарь авиационных терминов, третье издание . Ньюкасл, Вашингтон: Авиационные материалы и научные исследования, 1997. ISBN 1-56027-287-2 . п. 224.
- ^ Бриджмен, Леонард, изд. (1947). Джейн «Все самолеты мира», 1947 год . Лондон: Sampson Low, Marston & Co., стр. 96c–97c.
- ^ Jump up to: а б Либек, Р.Х. (январь – февраль 2004 г.). «Проектирование дозвукового транспортного средства со смешанным крылом» (PDF) . Журнал самолетов . 41 (1): 10–25. дои : 10.2514/1.9084 .
- ^ «Полет в будущее». Архивировано 4 декабря 2012 г. в Wayback Machine Boeing , 7 августа 2012 г. Проверено: 23 ноября 2012 г.
- ^ Рейм, Гаррет (11 февраля 2020 г.). «Airbus изучает конструкции авиалайнеров со смешанным крылом, чтобы сократить расход топлива» . Полет Глобал .
- ^ «Airbus представляет новый концептуальный самолет с нулевым уровнем выбросов» (пресс-релиз). Аэробус. 21 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Кевин Майклс (1 июня 2023 г.). «Мнение: почему пришло время для тела со смешанным крылом» . Авиационная неделя .
- ^ Вердон, Майкл (30 мая 2023 г.). «Новый самолет EcoJet со смешанным крылом от Bombardier сокращает выбросы на 50% и скоро поднимется в небо» . Отчет Робба .
- ^ Jump up to: а б Норрис, Гай; Уорвик, Грэм (21 апреля 2023 г.). «JetZero представляет план BWB для среднего авиалайнера и танкера ВВС» . Aviationweek.com . Проверено 17 августа 2023 г.
- ^ Роза, Дэвид (2 мая 2023 г.). «Поскольку ВВС США рассматривают возможность создания танкера со смешанным корпусом, новый стартап раскрывает его концепцию» . Журнал Воздушно-космических войск .
- ^ Марроу, Майкл (16 августа 2023 г.). «ВВС выбрали стартап JetZero для создания демонстратора корпуса со смешанным крылом» . Breakingdefense.com . Проверено 17 августа 2023 г.
- ^ Алкок, Чарльз (16 августа 2023 г.). «Самолет со смешанным корпусом JetZero, усиленный по контракту с ВВС США» . Futureflight.aero . Проверено 17 августа 2023 г.
- ^ Приско, Якопо (4 апреля 2024 г.). «JetZero: революционный демонстрационный самолет со смешанным крылом допущен к полетам» . CNN . Проверено 14 апреля 2024 г.
- ^ Буллис, Кевин (24 января 2013 г.). «НАСА продемонстрировало производственный прорыв, который позволит масштабировать самолеты с гибридным крылом» . Обзор технологий Массачусетского технологического института .
- ^ Браукус, Майкл; Барнсторфф, Кэти (7 января 2013 г.). «Исследования НАСА в области зеленой авиации переходят на вторую скорость» . НАСА . Проверено 26 января 2013 г.
- ^ Jump up to: а б Уорвик, Грэм (22 августа 2016 г.). «В поисках сверхэффективной конструкции для небольших авиалайнеров» . Неделя авиации и космических технологий .
- ^ Уорвик, Грэм (21 мая 2007 г.). «Boeing работает с авиакомпаниями над коммерческим грузовым самолетом со смешанным крылом» . Полет Глобал . Проверено 12 февраля 2023 г.
- ^ «Информационный бюллетень о корпусе со смешанными крыльями» . НАСА . Проверено 17 мая 2021 г.
- ^ Финнерти, Райан (12 октября 2022 г.). «ВВС США проведут испытания логистического самолета со смешанным крылом к 2027 году» . Полет Глобал . Проверено 12 февраля 2023 г.
- ^ Уорвик, Грэм (12 января 2013 г.). «Слушайте: BWB молчит!» . Авиационная неделя .
- ^ Галеа, скорая помощь; Филиппидис, Л.; Ван, З.; Лоуренс, ПиДжей; Эвер, Дж. (2011). «Анализ эвакуации конфигураций самолетов со смешанным корпусом крыла на 1000+ мест: компьютерное моделирование и полномасштабный эксперимент по эвакуации» . Динамика пешеходов и эвакуации . стр. 151–61. дои : 10.1007/978-1-4419-9725-8_14 . ISBN 978-1-4419-9724-1 . S2CID 55673992 .
- ^ Галеа, Эд. «Анализ эвакуации конфигураций самолетов со смешанным крылом на 1000+ мест» . Эвакмод (видео) . Проверено 25 августа 2015 г.
- ^ Jump up to: а б «Boeing не убедила конструкция самолета со смешанным крылом» . Институт инженеров-механиков . 16 июня 2015 г.
- ^ Jump up to: а б Пейдж, Марк (14 сентября 2018 г.). «Разрушение узкофюзеляжного авиалайнера с однопалубным корпусом со смешанным крылом» (PDF) . ИКАС. Архивировано (PDF) из оригинала 20 декабря 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с «Не ищите в ближайшее время коммерческие самолеты BWB», — говорит руководитель направления будущих самолетов Boeing . Лихэм Ньюс . 3 апреля 2018 г.
- ^ «Airbus представляет демонстрационный образец самолета со смешанным крылом» . Airbus (Пресс-релиз). Сингапур. 11 февраля 2020 г. Проверено 12 февраля 2023 г.
- ^ Кэролайн Делберт (13 февраля 2020 г.). «Будут ли люди летать на этом самолете со смешанным крылом? Airbus построил прототип, чтобы выяснить это» . Популярная механика . Проверено 12 февраля 2023 г.
- ^ «Будущее полета» . Популярная наука . Том. 263, нет. 5. Корпорация Боннье. Ноябрь 2003 г., стр. 83–86.
- ^ «Полет будущего: галерея авиации следующего века» . Популярная наука . 16 октября 2003 г. Проверено 12 февраля 2023 г.
- ^ «Новый пассажирский авиалайнер Boeing 797 Giant со смешанным крылом - фантастика!» . TruthOrFiction.com . 17 марта 2015 г.
- ^ Кристенсен, Бретт М. (19 апреля 2012 г.). «Мистификация Боинга 797» . Убийца Мистификаций . Архивировано из оригинала 23 апреля 2012 г.
- ^ Базелер, Рэнди. «Авиапочта». Блоги Boeing: Randy's Journal, 1 ноября 2006 г. Дата обращения: 22 ноября 2012 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Эл Бауэрс (16 сентября 2000 г.). «Тело со смешанным крылом: проблемы дизайна в 21 веке» . Крыло — это вещь . Архивировано из оригинала 1 декабря 2002 г.
- В. Мухопадхьяй (апрель 2005 г.). Конструктивный проект фюзеляжа со смешанным крылом (BWB) для снижения веса (PDF) . 46-я конференция AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC «Структуры, структурная динамика и материалы». Сервер технических отчетов НАСА .
- « Самолет со смешанным крылом прошел испытания в аэродинамической трубе» . Новый учёный . 14 ноября 2005 г.
- « 'Бесшумный самолет': Как это работает» . Би-би-си . 6 ноября 2006 г.
- Р. Вос; FJJMM Геускенс; МФМ Хугриф (апрель 2012 г.). «Новая концепция конструктивного проектирования кабин со смешанным крылом» . 53-я конференция AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC «Структуры, структурная динамика и материалы» . Архивировано из оригинала 22 июля 2018 г.
- Концепция смешанного крыла . АВД20112012. 4 мая 2012 г. Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. – на YouTube.
- «Основные моменты X-48» . НАСА . 18 апреля 2013 г. Архивировано из оригинала 8 июля 2017 г. Проверено 1 февраля 2011 г.
- Йорг Фухте; Тилль Пфайффер; Пьер Давиде Чампа; Бьорн Нагель; Волкер Голлник (сентябрь 2014 г.). «Оптимизация коммерческого пространства смешанного корпуса крыла» (PDF) . 29-й Конгресс Международного совета авиационных наук (ICAS 2014) .