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翼身融合飛翼運輸機,洛克希德-馬丁的未來?

2024-02-23軍事

「滾回繪圖板」被淘汰的飛行器方案 294

本文2990字,34圖,預計閱讀時間15分鐘

洛克希德-馬丁 HWB

2012-RCEE

LM RCEE

2012年,洛克希德·馬丁公司在美國空軍研究實驗室(AFRL)能源效率革命性配置(RCEE)計劃的第二階段提出了一個混合動力飛翼方案,RCEE從2019年啟動第一階段,第二階段將從2012到2015年,當時沒有人能夠知道這會成為一個為期十年的大計畫的起點。@nordland 今日頭條 原創先發

LM RCEE展示模型

去掉復雜句式和生僻詞,RCEE的本質要求很簡單:幫美軍省油。當時五角大廈每年消耗近4億加侖各種油料超過百億美元,這是一筆不小的開支和巨大的風險。C-17按計劃在2033年開始退休。RCEE的目標是提前布局接班機型,提供美國空軍2035年左右的戰略運輸機。鼬廠當時送出了一個飛翼概念,有效載荷能力為220,000磅,介於波音C-17和洛克希德·馬丁C-5之間。

機身和機翼融合為大飛翼造型但多了一個洛克希德風格的T型尾翼,保留了傳統的中央貨艙尾部貨艙彈板,便於利用現有的貨艙管理和裝載體系。發動機布置在尾翼兩側的機翼上方,當年考慮了GE的槳扇引擎或者羅-羅的UltraFan概念。預期在2014年開展風洞測試。這個方案的名稱並沒有流出,當時的【航空周刊和空間技術】雜誌簡單的稱其為LM RCEE。

LM RCEE

2014-HWB

洛克希德-馬丁 HWB

兩年以後,這個飛翼再次回到公眾視野,此時,這個方案已經使用混合翼體(HWB,Hybrid Wing Body)的名稱。雙引擎HWB設計用於在不到6,500英尺的高度起飛,飛行3,200海裏,攜帶220,000磅的有效載荷,包括洛克希德C-5現在空運的所有超大型貨物。

裝載方案

洛馬在此時已經進行了大量的計算和風洞工作,NASA和美國空軍研究實驗室(AFRL)協助公司進行了跨音速風洞實驗,公司的宣傳材料中宣稱透過更好的空氣動力學、更新的發動機和更輕的結構,HWB可以比C-17節約70%的燃料。每年將節省4億加侖的燃料,並且能夠承擔戰略運輸和空中加油的雙重用途。洛克希德同樣強調了保留的傳統貨倉和尾部裝載裝置的價值。

HWB研究的特點是使用計算流體動力學(CFD)工具進行高度的空氣動力學最佳化,而這些工具在今天的C-17和洛克希德C-130和C-5空運機隊設計時是不可用的。洛克希德航空工程師安德魯·威克(Andrew Wick)說,從最初的0.7馬赫數開始,使用CFD進行廣泛的形狀最佳化將巡航速度提高到0.81馬赫,並將跨音速阻力降低了45%,洛克希德航空工程師安德魯·威克(Andrew Wick)說,洛克希德估計該飛機的空氣動力學效率比C-17高65%,C-17受到其1980年代設計和短距起降(STOL)能力要求的懲罰。HWB的效率比C-5高30%,洛克希德公司表示,它甚至能夠實作比波音787高5%的空氣動力學效率,盡管馬赫數較低。

HWB桌面模型

這種效率來自幾個來源。首先,混合的前機身承載了25%的升力,並將機翼根部移出舷外,在不增加機翼重量的情況下延長跨度並減少阻力。展度升力分布得到改善,機翼長寬比增加到12,以達到傳統展弦比9機翼的重量,同時,後機身確保飛機與當前的裝載和空投操作相容 - 對於像BWB這樣的純飛翼設計來說,這是一個挑戰,虎克說。與純BWB相比,傳統的T型尾翼會產生5%的阻力損失,但提供了強大的控制,並避免了為飛翼開發新的控制效應器和演算法的成本和風險,以實作短距起降並管理空投多載時的突然重心(CG)偏移。

三檢視

已經確定了三個潛在的引擎方案。包括已上市奇異的GEnx,與C-17和C-5M發動機相比,比油耗(sfc)降低了25%。羅-羅的概念 Ultra Fan 的 SFC 降低了 30%,並可能在 2030 年上市。第三種是GE開式轉子,可能在2025年之後上市,SFC降低35%。洛克希德公司計算,結合改進的空氣動力學效率和更輕的重量,較低的SFC導致HWB比配備GEnx發動機的C-17少燃燒70%的燃料,使用超級風扇減少75%的燃料消耗,使用開放式轉子減少80%的燃料。

風洞模型

後機身旨在在後傘兵門和貨物坡道周圍提供平滑的流場,類似於C-5。尾翼的尺寸可以處理 20% 的重心調整,與 C-5 相同。飛機的設計使得在巡航中不需要尾部進行配平,從而避免了阻力損失。HWB設計的一個不尋常的方面是混合的加壓和非壓機身。一些貨物在未加壓的外艙中運輸統一透過後倉托盤坡道裝載,使用滑輪地板移動,然後側向穿過機身門,進入非壓的外艙。結果是加壓機身比C-5更小更輕,盡管載貨能力相似。洛克希德公司計算出HWB的結構比傳統設計輕18%。

另一個非常規元素是機翼後緣上方的發動機位置,這個位置的選取經過了廣泛的計算和風洞測試。由於對機翼的跨音速幹擾,長期以來在飛機設計中一直避免使用機翼上短艙。洛克希德公司研究了安裝在多個位置(機翼前緣下方和上方、後緣上方和機身後部)的發動機的巡航幹擾阻力,並生成了超過 15,000 個 解決方案。結果表明,無論發動機型別如何,將機艙安裝在內側後緣上都提高了升阻比,與傳統的翼下位置相比,空氣動力學優勢高達5%。

不同發動機位置的計算

不同發動機位置的風洞測試

潛在的發動機直徑從GEnx的11.8英尺到開放式旋翼的21英尺不等,但「機翼最佳化到對所有三個發動機的形狀相同,從而允許發動機模組化安裝,翼上發動機的布局突出了對大直徑發動機適應力好的特點。

機翼上的安裝還有其他好處。機艙前方的長翼弦桿充當流量矯直器,以減少入口亂流,並遮蔽地面方向的風扇噪音。後緣的懸垂意味著發動機仍然可以方便地進行維護和拆卸。翼上發動機同時還縮小了尾翼。

將發動機短艙放置在機翼後緣上還具有動力升力的好處,進氣流在機翼上提供了大量的升力,這與C-17中發生的翼下發動機吹過偏轉的襟翼產生的高壓區域具有類似的效果,翼上發動機實作類似的最大升力系可增加15%。為了提供短距起降能力,多余的燃料量可以換成襟翼吹氣,以建立迴圈控制機翼,就像洛克希德公司為AFRL的Speed Agile計劃開發的STOL空運機概念一樣。另一種可能性是將推力向下偏轉,使用發動機後部的襟翼,使用F-35B式旋轉噴嘴進行核心流向量,或者在襟翼展開時旋轉發動機。

機翼後緣布置發動機並不是唯一選項,NASA和AFRL還資助洛克希德公司使用公司使用CFD分析工具來研究HWB分布式推進的空氣動力學最佳化,這個方案裏使用多個較小的風扇,這些風扇將整合再混合機翼內部。

使用分布式推進的HWB方案

2017-新航空地平線

AFRL資金支持下的HWB研究在2017年結束。2016年洛馬宣布在結束前試圖推進一項載人HWB演示飛機的計劃,但未獲成功。

隨後HWB參與了NASA的超高效亞音速運輸研究未來商業貨機研究計畫,這個計畫是NASA雄心勃勃的10年研究計劃「新航空地平線」(New Aviation Horizons)研究的一部份。根據NASA預算,計劃在2020年之後飛行50%比例的混合翼體演示飛行器,HWB將可能作為大型X飛機系列中的第二架。洛馬和其他四個競爭對手隨後獲得了一份為期6個月的合約。

2017年NASA就宣布,選擇下一代X飛機將是一場公開競爭。但這場競爭演變成一場「持久戰」一直推遲到了2023年7月NASA才宣布結果,永續飛行演示器計畫生產的飛機已確定為X-66A,這架全尺寸驗證機以波音的桁架機翼概念為基礎。落馬的HWB出局。

波音 X-66A

2022-BWB

2022年,五角大廈重返混合翼體(BWB)飛機設計市場,以期建造一架全尺寸演示飛機,並在2026年之前飛行。美國國防部將透過尋找相關設計概念進行進一步研究來啟動這一最新舉措,重點關註這些配置可以提供的效率優勢。該計畫可能會影響未來的空中加油機和空運計劃,美國空軍過去已經為這些角色探索了BWB設計,包括隱身型別。

BWB其實就是翻版的RCEE,這個計畫仍然追求「至少減少60%的任務燃料消耗」的運輸機和加油機,目前為止洛馬的混合翼體HWB仍然是競爭概念之一,外界還不知道五角大廈會在什麽時候做出決定,但小道訊息傾向於波音的BWB飛翼 。最近幾年美國軍工的競爭體系已經從誰強誰贏轉變為誰快死了誰贏,波音岌岌可危的經營狀況反而變成了競爭力。所以洛馬這個混合翼體很有可能繼續靠邊站,留在繪圖板上。@nordland 今日頭條 原創先發