【總體氣動】歐洲持續推進邊界層抽吸布局研發

原標題：【總體氣動】歐洲持續推進邊界層抽吸布局研發

客機在尾部安裝嵌入式風扇為機身尾跡注入能量、降低阻力的技術（BLI技術）正引起越來越多的研發關注，該技術具有成為下一代商用飛機減阻關鍵技術的潛力。除美國外（見本號2月13日文章——NASA完成邊界層抽吸效應評估），歐洲眾多研究機構也在開展應用BLI技術的創新布局研究。2018年1月，德國包豪斯研究院在奧蘭多舉行的2018 AIAA科技大會上公布了推進式機身（PFC）研究的最新結果。

一、BLI布局研究概況

NASA正在開展單通道帶後置附面層推進的渦輪電推進飛機（STARC-ABL）的研究。已有結果顯示，相比如今的傳統布局客機，該布局飛機能夠節油7-12%。節油優勢的獲得得益於尾部電驅動風扇對機身低速附面層的抽吸和加速。在STARC-ABL中，尾部風扇由翼下安裝的發動機帶動的發電機驅動，由於全機阻力的減小，翼下發動機的尺寸相比傳統翼吊布局更小。

NASA的Starc-ABL研究結果顯示由於後置軸向電驅動風扇的推進效率很高，因此採用翼吊安裝的渦扇發動機尺寸可以大幅縮減。

除STARC-ABL外，極光飛行科學公司的D8布局、法國Oneral的Nova布局、德國包豪斯研究院的PFC布局也採用了BLI技術。在D8布局的雙垂尾中間，兩台緊密安裝的半埋式發動機可對機身尾部的邊界層進行抽吸。

極光飛行科學公司和麻省理工的D8雙氣泡機身布局

法國宇航院（Oneral）的Nova概念布局同D8相似，但它是在單垂尾兩側嵌入式安裝了兩台發動機。

Onera的Nova布局：採用後機身嵌入式大涵道比發動機布局，通過BLI達到減阻效果

德國包豪斯研究院的推進式機身（PFC）概念同STARC-ABL相似，也是在垂尾根部安裝了環形機身風扇對邊界層進行抽吸；但與NASA採用渦輪電推進方式即由翼下渦輪發動機發電驅動尾部風扇不同，PFC則是在尾部使用了第三台燃氣渦輪發動機驅動BLI風扇。

PFC概念是在歐盟Dispursal項目下開發的，採用尾部渦輪發動機驅動機身風扇的BLI布局。（來源：包豪斯研究院）

二、德國包豪斯研究院的PFC概念研究進展

包豪斯研究院（空客是股東之一）在歐盟Dispursal項目下開發了PFC布局，該項目已經於2015年1月結束。研究結果顯示，PFC布局相比同級別的2035年服役的傳統單通道客機可節油9-14%。從Dispursal項目結束以來，包豪斯研究院一直在優化PFC布局，並與傳統340座級、4800海里的寬體客機進行了更多詳細地對比分析。在PFC布局中，後機身尾部內安裝了一台雙轉子渦軸發動機，低壓軸通過行星減速齒輪系統驅動機身風扇。空氣通過機身尾部高度為0.54米的環形入口進入風扇（機身邊界層在當地的厚度約為1米）。在風扇後通過S形管道為核心機供氣。

包豪斯研究院的「推進式機身概念」，位於後機身內的風扇通過環狀進氣道吸入附面層氣流，並對尾跡重新注入能量。（圖中英文自上而下依次為：機身風扇、行星齒輪系統、一體化結構、核心機（燃氣發生器）、S型進氣道、錐形機身）

包豪斯研究院在1月舉行的AIAA 2018航空科技大會上公布了最新的研究成果：相比2035年服役的採用先進技術的傳統布局方案，PFC概念可以節油12.1%。PFC布局飛機由於增加推進風扇帶來了16%動力系統的增重，導致全機空機重量增加4.6%，但全機最大起飛重量基本沒變。

在基線研究中，為了最小化成本，包豪斯研究院假設後機身渦輪發動機和翼下發動機採用同樣的核心機。如果撤銷這一限制並分別對機身和機翼推進系統進行優化，可進一步獲得1.3%的輪擋間油耗降低（當然這種收益可能會被更高的發動機使用維護成本抵消）。包豪斯的研究結果顯示，基線研究中，傳統布局飛機需要單台發動機提供12880磅的最大爬升推力，PFC布局只需要翼下單台發動機提供8450磅推力，後機身風扇提供靜推力3690磅。撤銷核心機限制後，後機身風扇只需提供2610磅推力，翼下發動機需提供8880磅。

包豪斯研究院表示，未來的研究工作將關注對PFC布局發動機循環的優化。包豪斯正在牽頭一項Dispursal的後繼項目，由歐盟地平線2020資助的368萬歐元（452萬美元）、3年研究周期的Centreline項目。該項目已於2017年6月啟動，將開展縮比模型風洞試驗、高保真數值模擬和PFC設計優化，旨在實現相比2035年服役的先進技術傳統布局飛機11%的油耗降低和二氧化碳排放減少。

與Dispursal項目不同，Centreline項目中評估的PFC概念將採用同NASA STARC-ABL中類似的渦輪電驅動後機身風扇，即後機身不再安裝第三台渦輪發動機。Centreline項目將對PFC進行概念驗證和初步的試驗驗證，將其技術成熟度由目前的1-2級提升到3-4級，最終的目標是達到成熟度6級為2030年實現產品投放市場做好準備。

包豪斯牽頭的Centreline項目成員還包括，空客防務與空間公司、MTU航空發動機公司、電驅動專業製造商西門子、法國研發諮詢公司Arttic，以及來自荷蘭、波蘭、瑞典和英國的大學。

（航空工業發展研究中心 王元元）

來源：民機戰略觀察

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