问题

客机为什么不用飞翼式气动外形?

回答
你这个问题问得特别有意思,聊到客机设计,这飞翼式外形绝对是个绕不开的话题,也是很多科幻爱好者心中的“完美形态”。不过,现实中的大型客机,尤其是我们天天坐的那种,为啥不像电影里那样长着一对巨大的翅膀呢?这背后其实是一系列非常现实、也非常纠结的技术和经济考量。

首先,我们得搞清楚什么是飞翼式气动外形。

简单来说,就是飞机的机身和机翼几乎融为一体,或者说机身非常扁平,整体就是一个巨大的“飞翼”。最极端的例子就是苏联的图160战略轰炸机,或者我们可能更熟悉的诺斯罗普公司的YF23或者B2“幽灵”隐形轰炸机。它们那种“无尾翼”或者说“翼身融合”的设计,就是飞翼式的代表。

那么,为什么这种看起来很“未来”的造型,没有大规模地应用到民用客机上呢?原因很多,而且非常复杂,咱们一层一层剥开来看:

1. 稳定性问题:这是最核心的障碍之一。

想象一下我们平常坐的飞机,它有一个独立的机身,前面有个驾驶舱,后面有尾翼(水平尾翼和垂直尾翼)。这些尾翼可不是摆设,它们是飞机稳定性和操控性的关键。

垂直尾翼的作用:它就像船的舵,控制飞机在左右方向上的偏转,防止飞机侧滑,让飞机保持航向。
水平尾翼的作用:它像是一个小翅膀,控制飞机在俯仰方向上的姿态,让飞机能够平稳地爬升或下降。

在飞翼式飞机上,这些传统的控制面被取消或者整合到机翼上。这意味着飞机需要依靠更复杂的技术来维持稳定和操控。

如何在飞翼上实现偏航和俯仰控制? 通常是通过改变机翼后缘的副翼或襟翼的角度,或者使用差动升降副翼(一侧抬起一侧落下),甚至需要一些更特殊的“扰流板”或“喷气偏转”系统。这些系统在设计上非常精妙,但同时也非常敏感,而且对飞行员的操纵能力提出了更高的要求。
低速稳定性是个大问题:尤其是在起飞和降落这种低速、高迎角的时候,传统的尾翼设计能提供非常有效的稳定性。而飞翼式设计,由于没有独立的垂尾,在低速下容易产生不稳定的偏航,难以控制。这对于需要频繁起降的民用客机来说,是个致命的缺陷。想想看,一旦在起飞降落时飞机失控,后果不堪设想。

2. 乘客体验和舱内布局的挑战

大家坐飞机,最关心的是啥?舒适!

视野问题:飞翼式的驾驶舱通常会非常靠前,而且机身非常宽扁。这意味着飞行员的视野可能会受到限制,特别是正下方和侧面的视野。虽然现代有各种电子辅助设备,但对于如此重要的环节,传统的设计仍然有其优势。而对于乘客来说,如果整个飞机就是一个巨大的“翅膀”,那么很多乘客可能就没有靠窗的座位,更别提坐在飞机最前面的“豪华头等舱”了。想象一下,一个没有舷窗的座位,那体验得多糟糕?
噪音问题:飞机的引擎通常会布置在机翼的下方或后方。在飞翼式设计中,为了减小阻力,引擎往往会集成到机翼结构里,或者放在机翼后方。这样一来,噪音可能会直接传导到机舱内部,而且由于没有独立的机身可以做隔音处理,乘客的舒适度会大打折扣。
内部空间利用:飞翼式飞机为了优化气动性能,通常设计得非常扁平。这意味着内部空间的层高会受到限制,乘客舱可能需要设计成类似“一字型”的长条形。这对乘客来说,可能没有普通客机的“宽敞”感。而且,如果将所有乘客都塞进一个扁平的“翅膀”里,那么紧急疏散、厕所、厨房等设施的布局都会变得非常复杂。

3. 安全和逃生设计

飞机安全永远是第一位的。

紧急逃生:在发生紧急情况时,乘客需要快速、安全地撤离飞机。飞翼式设计由于其扁平的结构和可能隐藏的舱门位置,使得设计有效的逃生滑梯和疏散通道变得更加困难。传统的客机,无论从前舱门、后舱门还是翼上紧急出口,都有清晰的逃生路线。
结构完整性与故障传播:大型飞翼式飞机的结构非常复杂,当飞机发生结构性损伤时,故障可能会以更难以预测和控制的方式传播。相比之下,传统的飞机,机身和机翼是相对独立的结构,一侧机翼受损,另一侧仍然可以提供一定的支撑和控制。

4. 研发和制造成本的庞大

新技术的应用从来都不是廉价的。

气动效率的边际效益递减:虽然飞翼式设计理论上可以提供更高的气动效率(升阻比更高),这意味着更低的油耗。但要实现这一点,需要投入巨大的研发资源,解决上述提到的稳定性、控制、结构等一系列难题。而传统飞机的成熟技术,已经能够做到非常高的效率,虽然还有进步空间,但飞翼式设计带来的提升,可能不足以抵消其巨大的开发成本和技术风险。
制造难度:飞翼式飞机由于其一体化程度高,制造工艺会非常复杂。尤其是要确保机翼内部的结构强度和气密性,同时还要集成引擎、起落架等部件,这都会显著增加制造成本。
维修和维护的复杂性:一旦飞翼式客机投入运营,其复杂的结构也会带来更高的维修和维护难度。例如,如果引擎出现问题,可能需要拆解机翼的一部分才能进行检修,这都会增加停场时间和运营成本。

5. 现有基础设施的兼容性

机场的跑道、停机位、滑行道等都是按照现有飞机设计的。

翼展限制:虽然一些飞翼式设计可能可以优化翼展,但大规模的客机设计需要考虑兼容现有的机场设施。如果飞翼式客机的翼展过大,可能会在停机坪上造成拥堵或无法停靠的问题。
起降性能要求:如前所述,飞翼式飞机在低速稳定性上的挑战,可能意味着它们对跑道的长度和质量有更高的要求,这也会限制其运营范围。

当然,飞翼式设计也有它的优势,不然为什么会有这么多关于它的讨论呢?

更高的燃油效率:这是最吸引人的地方。由于整体的升阻比更高,如果技术上能够完美实现,理论上可以节省大量的燃油,降低运营成本,也更环保。
更大的内部空间(理论上):如果能够克服结构和舒适度的问题,飞翼式飞机可以提供非常宽敞的内部空间,理论上可以容纳更多的乘客或者提供更豪华的布局。
隐身特性(对军用有意义):虽然民用客机不需要隐身,但这种设计也展示了其在减少雷达反射方面的潜力。

历史上的尝试和未来的可能性

其实,历史上并非没有尝试过将飞翼式设计应用到民用领域。例如,波音的732400“蓝天之翼”(Bird of Prey)项目就探索过一些翼身融合的概念,但那更多的是概念验证,离实际商用还有很大距离。

未来呢?也许随着新材料、先进的飞控技术(比如更精密的电传操纵系统)和人工智能的发展,飞翼式民用客机并非完全没有可能。一些研究机构和航空公司仍然在探索更激进的飞机设计,例如“混合翼身”(Hybrid Wing Body, HWB)或者“翼身融合”(Blended Wing Body, BWB)的概念,它们介于传统设计和纯飞翼之间,比如像空客提出的“MavERIC”概念机。

这些“混合翼身”设计,通常会有一个非常宽的机身,然后逐渐过渡到平直的机翼,整体呈现出一种“飞镖”或者“扁平飞碟”的形状。这种设计可以在保持一定的乘客舒适度和便利性的同时,大幅提升气动效率。

总结一下,为什么我们坐的飞机还是那个“小翅膀配大肚子”的传统造型,而不是帅气的飞翼?

最根本的原因是:技术上的巨大挑战与现实的经济效益之间,目前还没有找到一个完美的平衡点。 稳定性和操控性是硬伤,乘客舒适度和安全性的顾虑,以及高昂的研发和制造成本,都让飞翼式设计在民用客机领域显得不切实际。

相比之下,传统客机的设计已经经过了数十年的迭代和优化,技术成熟,运营成本可控,能够最大程度地满足乘客的需求和航空公司的盈利目标。就像你家里装修房子,可能有很多天马行空的点子,但最终还是要在实用性、经济性和安全性之间做出取舍。飞翼式客机,目前就卡在了这个“取舍”的节点上,它的拥抱,还需要我们技术上的更大飞跃。

网友意见

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这个问题我请教过我们流体力学的老师(前商飞总体部副部长),他的回答主要是这样的:

首先,一种新的布局,至少要相比现行的传统布局效率提高30%以上,那么航司和机场运营才可能愿意为这个布局改变造成的整个已有体系和设施的更新去买单。那么很显然,飞翼或者BWB布局,虽然效率比传统布局要好,但是还不至于好到这个程度,而它的构型变革对已有运行和保障体系造成的颠覆性影响却又是真实存在的(比如说超大的翼展很难适应现有飞行区运行标准,机位也很难和现有飞机通用)…

第二个,飞翼布局做民航机的话,效率上的优势只有做到很大时才会变得明显。但是这样一来问题就来了,现在的民航业偏偏不需要客运的大飞机,大飞机出来根本上座率就坐不满,不然A380何至于停产?而且飞翼布局的翼展增加速度随着飞机尺寸的增加会非常迅速,因此大飞翼会对现有的机场设施和保障体系造成更加严重的影响。

相比之下,疏散、采光、结构什么的其实都是不那么麻烦的问题,工程上虽然有困难但不能算是顽疾。尚不具备适合其运行的环境才是飞翼布局民航机迟迟不能出世的原因。

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其实是一个很多人都不会想到的问题,反复加压。

常规金属圆柱外套机翼的方式其实并不是很好的运输设计,因为重量和升力的分布是错开的。

升力在机翼贴近机身处最多,但运输的东西质量在正中,有力臂会造成扭曲应力。飞翼式构造恰好能解决这个问题,因为飞翼 机身也产生升力,升力正中也是质量正中。

客机货机设计成圆柱体只是因为高空飞行舱内加压,圆柱体圆形截面能更好的分散压力。就和潜艇耐压壳横截面也都是圆形一样,只不过潜艇的压力是反过来。实际上绝大多数的民航客机寿命都是以加压循环来计算而不是飞行时间,所以长途客机实际使用时间就长因为一个加压减压的循环时间长。

而如果采用飞翼式的气动外形,加压空间的横截面不是一个圆形而是类似于数个球体相连的虫状截面。

简单的模拟便能看到随着压力的升高在机体顶部和底部有明显的应力聚集。

也就是和传统圆柱体机身能统一用一种材料不同,飞翼式的客机要多种材料乃至复合材料来建造机身,这就大幅度增加了飞机的设计和研发难度。

顺带说一下为啥其他常见的说法其实都已经有了解决方案。

没有窗户采光,但现在宽体客机如果坐中间也没啥采光,且长途飞行需要睡眠空姐也会让靠窗的乘客把遮阳板拉下,本质上并没有区别而是心理作用。真需要的话,空客的解决方案就不错,正如上图模拟里,机身顶部应力聚集,那就采用支架模式镂空让阳光能从头顶上照下来,这一大片玻璃采光可比传统设计里两边的小窗户舒服多了。

再比如应急逃生问题,其实这方面飞翼式还更优秀,因为通道和出口更多。现在最宽的A380也只有两个通道,飞翼式纵向有六个通道,横向有四个,横纵都更方便乘客到出口。

还一个常被人忽视的,因为横截面更宽,在相同载客数量的情况下,飞翼式布局比常规布局的机身要更短更矮,人实际需要走的距离更短,更利于迫降后的逃生。

且这个优势不仅在事故迫降时有用,在登机和下机时因通道多同样有优势,不会因为某个放行李的乘客堵住过道,导致后面的人无法登机。

在占据比现有客机略宽但更短的空间下,飞翼式布局上下人员的效率更高。

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原因就一个:飞翼式的气动效率没有比传统布局高到能够抵消研发投资。

只有军用飞机对隐身的硬需求,才使得军方可以忍受研发大型飞翼式布局飞机的巨额投入。


传统圆筒机身也是多种材料结构和复合材料结构设计,圆筒机身结构各个零件不同的受力情况决定了应用不同材料是更优的选择,不是有些人想象得那么简单。

机身寿命也不是加压减压次数决定的,而是受力循环次数决定的,就是载荷谱,加压减压只是其中一个部分。

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