英国公布“零排放飞行”气动结构技术路线图

来源：民机战略观察 

作者：胡毅华

在全球减少碳排放的大趋势下，英国FlyZero项目公布了其气动结构技术路线图，进一步明确了未来零碳排飞机的发展目标和路径。

英国航空航天技术研究所（ATI）于2022年3月发布了“零排放飞行”（FlyZero）项目的多个技术路线图，其中《气动结构技术路线图》（以下简称“路线图”）覆盖空气动力学、载荷、气动弹性、轻量结构设计、机身优化、制造和装配等领域，面向氢动力飞机明确了一系列具有较大潜力的技术，评估了技术收益、提出了技术发展的目标和路径。

主要成果

  

   

为加快氢动力飞机关键技术发展，支撑氢动力飞机在2030年代投入使用，路线图首先分析了液氢在飞机中的使用环境及特征，以及由此导出的设计因素和关键技术，明确了各时间节点的技术目标，提出了通过优化制造工艺实现减重、通过载荷控制及气动弹性变形实现减重、通过结构优化实现减重、开发用于优化及多功能结构的材料、多功能优化集成设计、提升气动性能等技术簇研究，实现平台综合性能提升，最后明确了一系列目前尚未成熟但在2030年成熟度能够达6级（TRL6）的关键技术，分4个步骤规划了技术发展路径。

技术目标

  

   

路线图在支线飞机、窄体飞机、中型飞机3个细分领域分别以ATR72-600支线飞机、A320neo单通道飞机、767-200ER宽体飞机作为参照机型，在减重、性能、油耗、排放方面提出了雄心勃勃的目标，并明确了里程碑节点。

技术路线图

  

   

路线图从发动机及推进系统、装配制造、材料、高性能自适应机翼等8个技术领域规划了若干关键技术的发展路线图。同时，从认证、方法和工具、检验等使能技术方面规划了发展任务。由于大部分气动结构技术是由传统的通用性技术发展而来，因此均有望到2030年达到TRL6；阵风减缓等载荷控制技术、层流机翼技术、变弯度机翼技术、氢能飞机多学科优化设计工具和方法等有望在2025年左右达到TRL6。

技术评估

  

   

路线图从费用、重量、性能3个方面对37项关键技术（从技术路线图的技术领域中筛选）进行定性评估，显示了关键技术的预期改善效能（由符号和颜色区分）。其中，混合层流、可变翼展、斜撑翼、嵌入式推进等技术虽然对飞机整体性能的提升有中高程度的正向影响，但其需要付出的成本却很高。

“四步走”技术研发活动

  

   

FlyZero根据技术目标和路线图规划了技术研发活动的节奏，通过“四步走”逐步实现结构减重40%以及性能、油耗、碳排放改善30%的目标。

步骤一：

1、层流发动机舱：通过减少发动机挂架、口盖和间隙对发动舱的干扰，结合防污和层流表面处理等方法，增加层流面积。

2、干机翼形状优化：基于干机翼无机翼油箱的特点进行机翼的气动优化设计，如采用更薄的机翼翼型、新型机翼形状等。

3、气动弹性剪裁：结合曲线铺丝等制造技术，使机翼在载荷作用下产生有利的弯曲和扭转，获得最佳的气动形状。

4、可折叠翼尖：可以实现更长的翼展，提高机翼展弦比，同时可适应现有机场条件。

步骤二：

1、 大展弦比机翼：大展弦比机翼可改善诱导阻力，结合半气弹铰链技术来管理载荷，可适应现有机场条件。

2、机翼前缘/后缘变形：干机翼为前缘/后缘结构的变形设计提供更大的设计空间，能够使机翼巡航及其他状态下都拥有良好的气动性能，降低阻力和油耗。

3、半气动弹性铰链：半气动弹性铰链是折叠翼尖的进一步优化，可用于地面滑行和飞行中，降低飞机的阵风载荷，有效控制大升阻比机翼的滚动惯性矩。

4、阵风传感器：激光雷达等阵风传感器可以让飞机预测阵风和湍流，提前调整控制面板以减少负载。

5、 一次成型主承力结构：实现集成度更高的结构制造技术，可实现大规模组件（机翼、机身等）的一次成型制造。

6、无紧固件组件：使用粘合及熔合技术连接部件和子组件，以制造主要结构。

步骤三：

1、支撑翼：优化支柱支撑结构，提高机翼展弦比并降低机翼弯矩。

2、低温层流：冷却蒙皮表面可以促进类似层流的流动，可以利用低温氢燃料冷却飞机表面。

3、分布式推进：集成多个较小的推进装置，以减少活动面的布置，并进一步减重。

4、发动机挂架矢量推力：利用干机翼空间安装驱动装置，调整发动机姿态和位置，提供更大的离地间隙或实现矢量推力。

5、多功能设计：综合架构及平台、方法、数字孪生等方法，实现多功能设计并实现优化设计方案。

6、热塑性主结构：利用模塑成型/再成型、组件焊接、热固性复合材料的回收利用等技术，将热塑性材料应用于主要结构制造。

步骤四：

1、嵌入式推进：在民用飞机上实现嵌入式推进，可大幅减阻、减重；可与边界层抽吸技术配合；干机翼为嵌入式推进提供了应用契机；目前的难点在于发动机的选择和维修保障。

2、 边界层抽吸：飞发一体化以实现边界层抽吸，提高发动机效率并降低机身阻力。

3、变翼展技术：使用伸缩或柔性技术实现变翼展，允许翼展和机翼面积随飞行速度变化，降低阻力，改善性能。

4、导电聚合物：使用电子聚合物可以实现结构内的集成电路和电磁防护，从而减轻结构重量。

5、形状记忆聚合物复合材料：根据载荷变化改变形状，可用于制造低密度、可复原的大变形结构。

总结

  

   

路线图覆盖了空气动力学、载荷、气动弹性、轻量结构设计、机身优化、制造和装配，确定了一系列具有提高气动性能、改善油耗并减轻重量，并有望于2030年代实现商业应用的技术。FlyZero计划还将不断探索新的概念和技术，在2030年前进一步挖掘可改善气动性能、油耗或减重的新技术，为在2030年代推出零碳排放飞机继续努力。