注意看后面,这个超声速双翼设计的参数是由优化算法自动生成的
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXXp?p=182807双翼飞机消除超音速音爆
作者:熔桓 发稿时间:2012-03-22 15:41:11 点击:1197
新型双翼飞机带有可移动部件,飞行途中可以改变机翼形状,以达到超音速速度。
超音速双翼飞机概念图。更便宜,更安静、更省油的双翼飞机不久就可以进行超音速客运。来源:麻省理工学院
27年来来,协和式超音速飞机(Concorde)带给他们乘客的,是难得的奢侈,就是节省时间。支付昂贵的票价,平滑的超音速喷气机把乘客从纽约运到巴黎,只需要短短的三个半小时,这时间只够小睡一会儿,喝杯开胃酒。多年来,昂贵的机票,高昂的燃料成本,有限的座位,以及飞机音爆噪音的干扰,都降低了利润和机票销售。2003年11月26日,协和商用超音速客运停止了服务。
此后,不少团体一直啊研究一些设计,开发下一代超音速飞机。现在,麻省理工学院(MIT)的研究人员提出了一个概念,可以解决使协和停飞的许多问题。航空航天助理教授王淇淇(Qiqi Wang)(按:应为王棋琪)说,这个解决方案的原理很简单:现在飞行是一侧用一个机翼,为什么不是两个机翼呢?
王淇淇的同事胡锐(Rui Hu)是航空航天系的博士后,安东尼•詹姆森(Antony Jameson)是斯坦福大学(Stanford University)工程教授,他们通过计算机模型显示,事实上,在超音速飞行时,改进后的双翼飞机产生的阻力显著低于传统的单翼飞机。这一小组会在《飞机杂志》(Journal of Aircraf)上发表他们的成果。
王淇淇说,这就减少了阻力,意味着飞机需要较少的燃料就可飞行。这也意味着,飞机会产生较少的音爆。
“爆音实际上是超音速飞机产生的冲击波,会传播到地面,”王淇淇说。“这就像听到枪声。音爆是如此恼人,以致于超音速喷气式飞机不能在地面上空飞行。”
双机翼,双倍的乐趣
采用王淇淇的设计,喷气飞机就有两个机翼,一个机翼在另一个之上,这就会消除任何一个机翼单独产生的冲击波。王淇淇称赞德国工程师阿道夫•布斯曼(Adolf Busemann),就因为这个最初的概念。在20世纪50年代,布斯曼提出了双翼飞机的设计,基本上可以消除超音速冲击波。
通常情况下,传统的飞机接近音速时,喷气飞机前面和后面的空气开始压缩。当飞机达到并超过音速或1马赫时,突然增加的空气压力会产生两个巨大的冲击波,辐射出飞机的两端,产生爆音。
通过计算,布斯曼发现,双翼飞机设计基本上可以消除冲击波。每个机翼的设计,从侧面看时,形状就像一个扁平的三角形,机翼顶部和底部互相面对。根据他的计算,这种结构可以消除每个机翼单独产生的冲击波。
然而,设计缺乏提升力:两个机翼形成非常狭窄的通道,只有有限的空气可以流过去。王淇淇说,在过渡到超音速时,这些通道基本上会“堵塞”,形成令人难以置信的阻力。尽管这种设计在超音速时效果很棒,但它不能克服这种阻力,难以达到这样的速度。
提升基础理论
为了解决阻力问题,王淇淇,胡锐和詹姆森设计了一个计算机模型,模拟布斯曼的双翼飞机在各种速度下的性能。在给定的速度,这种模型可以确定最佳机翼形状,以最大限度地减少阻力。然后,研究人员综合几十种不同的速度的实验结果,以及700种机翼结构,提出一种最佳形状,用于每个机翼。
他们发现,使每个机翼的内表面平滑,可以精细地形成更宽的通道,让空气流过去。研究人员还发现,使上层机翼的下缘和下层机翼的上缘隆起,这种概念飞机就能以超音速的速度飞行,阻力只有协和这样的传统超音速喷气机的一半。王淇淇说,这种性能会使飞机所需的燃料减少一半以上。
“想想看,起飞时,运载的不仅是乘客,也有燃料,如果可以减少燃油消耗,就可以减少需要携带的燃油量,这反过来又可以减少了结构的尺寸,就是您需要携带的燃料结构,”王淇淇说。“这是一种连锁反应。”
这一小组下一步是要设计一种三维模型,因为考虑到有其他因素影响飞行。麻省理工学院的研究人员正在寻找一种单一的优化设计,用于超音速飞行,王淇淇指出,日本有一个研究小组取得了进展,设计出布斯曼样式的双翼飞机,带有可移动部件:这些机翼实际上在飞行途中可以改变形状,以达到超音速速度。
“现在,人们有了更多的想法,可以改善布斯曼的设计,”王淇淇说。“这会带来巨大的进步,未来几年这一领域可能会有迅速发展。”
王棋琪小组的主页:
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXmlR. Hu, Q. Wang and A. Jameson Adjoint based aerodynamic optimization of supersonic biplane airfoils . accepted for publication in Journal of Aircraft.
自动优化算法对机翼参数进行了优化,解决了双翼飞机跨音速性能问题。
论文下载(胡锐、Jameson、王棋琪发表的论文):
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/Papers/AIAA-2011-1248-354.pdf
AIAA-2011-1248-354.pdf
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论文下载(胡锐的博士论文,有详细算法):
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/Papers/XXXXXXesis-v4.pdf
rui.thesis-v4.pdf
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附:超燃冲压发动机进气道不启动问题的风险评估
Q. Wang, K. Duraisamy, J. Alons and G. Iaccarino. Risk Assessment of Scramjet Unstart Using Adjoint-Based Sampling Methods . AIAA Journal, volume 50, issue 3, pages 581--592. 2012.
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