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双翼设计或让超音速客机再上蓝天

http://www.sina.com.cn  2012年03月22日 14:21  科技日报
▲协和式超音速喷射客机▲协和式超音速喷射客机
下一代超音速喷射客机的双翼设计下一代超音速喷射客机的双翼设计

  今日视点

  超音速飞机是指飞行速度能超过音速的飞机,自从其问世起,就因为速度而声名远播,协和式超音速喷射客机是世界上唯一的载客超音速航机。但后来因为其与生俱来的缺陷让这款速度之王成为折翼的天鹅,悄然隐退。

  然而,协和式超音速喷射客机这只天鹅并不优美的离场却极大地激发起了人们对超音速飞机的热情。各种研究机构提出了不同的超音速飞机设计,试图更好地满足人们对超音速的追求。据美国《每日科学》网站3月19日报道,美国麻省理工学院的科学家们指出,双翼设计不仅有望让超音速旅行成为现实,而且双翼飞机更廉价、更安静、更节能,有望成为未来超音速飞机的主流设计。

  折翼的天鹅:协和式超音速喷射客机

  协和式超音速喷射客机是世界上唯一的载客超音速航机,其最大的优点是速度快,拥有从纽约到伦敦只需2小时54分45秒的世界纪录,而普通飞机则至少需要七八个小时。另外,这款时髦漂亮的飞机在短短三个半小时内就可以将纽约的乘客送到巴黎,相当于人们打个小盹、喝点小酒的时间。

  但协和式超音速喷射客机也有其致命的缺陷,包括载客量小,该飞机的载客量一般限制在100名乘客左右;二是飞机的超音波爆声产生的音爆非常大,以至于很多机场都拒绝协和式飞机降落。音爆是指飞行器的飞行速度突破音速时,产生的冲击波会引发巨大声响。另外,最大的一个问题是票价昂贵,乘坐协和式飞机从伦敦到纽约大约需要1万美元,再加上耗油量极大,诸多因素叠加在一起让许多乘客望而却步。因此,2003年11月26日,协和式超音速喷射客机正式退役。

  双翼设计一举多得

  自从协和式超音速飞机退役后,很多科研团队都加紧了研制下一代超音速喷射客机的步伐。美国麻省理工学院航空学和太空航空学助理教授王琪琪(音译)、航空学和太空航空学博士后胡锐(音译)以及斯坦福大学的工程学教授安东尼·詹姆士表示,他们的双机翼设计可以解决协和式超音速喷射客机存在的很多问题。该研究团队已经通过计算机模拟证明,在以超音速航行时,经过改装后的双翼产生的阻力比传统的单翼飞机要小得多,他们打算将研究结果发表在《飞机杂志》上。

  王琪琪表示,阻力减少意味着飞机飞行需要的燃料更少,也意味着飞机产生的超音波爆声更小。

  王琪琪说:“超音波爆声是一种冲击波,像枪炮声一样震耳欲聋,非常烦人,因此,很多机场都拒绝超音速飞机降落。”而双翼喷射客机的每一边都有两个机翼,一个机翼置于另一个机翼的上方,这种设计可以消减每个机翼各自产生的冲击波。

  该研究团队从德国工程师阿道夫·布斯曼那儿获得了灵感。上世纪50年代,布斯曼就提出了双翼飞机的设计,他认为这种设计能消除飞机以超音速飞行时产生的冲击波。一般而言,当传统飞机接近声速时,飞机前后的空气就开始压缩。随着飞机的航行速度达到并且超过声速,空气压力的突然增加会产生两个大的冲击波,这两个冲击波会向外辐射到飞机末尾两端,产生超音波爆声。布斯曼通过计算发现,双翼设计能消除冲击波。

  王琪琪表示,但两个机翼会制造出一个非常狭窄的通道,只能容纳很少量的空气通过其中,当飞机的速度转换到超音速时,这一通道会被堵塞,从而产生巨大的阻力。布斯曼的设计无法克服这种阻力。

  为了解决阻力问题,该研究团队设计了一套计算机模型来模拟布斯曼的双翼飞机以不同的速度飞行时的情况。在给定的速度下,这种模型能确定最优的机翼形状以让阻力最小。他们接着将几十个不同的速度、700种机翼设计产生的结果汇总,为每个机翼设计出了最优的形状。

  他们发现,把每个机翼的内表面轻微弄平会制造出一条更宽的通道,空气能够流经其中。而且,通过让上方机翼的上边缘、下方机翼的底边缘凸出,可以使这种概念飞机能以超音速飞行,其产生的阻力可能仅为传统超音速喷射客机的一半,因此,有望将飞机飞行所需要的燃料削减一半以上。

  该研究团队接下来计划设计出一个三维模型,以便将其他影响飞行的因素考虑在内。王琪琪指出,除了他们在这个领域努力之外,日本的一个科研团队也已经在用运动零件设计出一款类似于布斯曼提出的双翼飞机上取得了进步,日本团队的设计方案是,机翼在飞行中改变形状以让速度达到超音速。

  王琪琪说:“有很多科研团队都试图制造出布斯曼提出的双翼飞机,在接下来的几年内,科学界将掀起一波研制双翼超音速飞机的浪潮。”

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