nasa中微子脉冲实验（NASA新构型亚声速X验证机系统进展分析）

攀登

近日，NASA分别授予4家公司（极光飞行科学公司、波音公司、洛克希德·马丁公司和Dzyne技术公司）研究合同，要求提出其各自建议的超高效亚声速运输机（UEST）大尺寸飞行验证机的系统需求，这标志着NASA亚声速超高效X验证机计划正加速进入实施阶段。

UEST项目背景

2016年初，NASA公布了新航空地平线（NAH）计划，该计划的核心是未来10年通过大幅增加预算（预计将超过100亿美元），资助4～5型民用亚声速和超声速X试验飞机的研发建造，希望为航空工业带来变革。目前，NASA在新地平线计划下已经启动了2个X验证机，一个是X-57“麦克斯韦”分布式电推进验证机，目前处于研制阶段；另一个是安静超声速低声爆验证机（QueSST），目前正由洛马公司臭鼬工场开展初步设计。

NASA负责验证机项目的副主管费伊·科利尔表示，他们正在寻找的是能够满足NASA中期目标（油耗降低50%～60%，氮氧化物排放降低80%，相比FAA第四阶段噪声标准累积噪声裕度达32～42dB）、在2025～2035年间服役的亚声速运输机方案，他希望亚声速X验证机能在2021年首飞。

在NASA此次授予合同之前，其内部研究人员也对每种类型的新概念亚声速布局进行了可行性研究，其研究成果于9月提交NASA领导层，供后者在综合考虑成本和周期等因素后做出研制大尺寸X验证机的决策。NASA集成航空系统计划（IASP）主管艾德·瓦格纳表示，NASA目前还没有获得NAH的经费，但正在积极推进相关工作，“我们开始考虑验证不同技术的需求，我们要确保不会错过任何机会。”

上述4家公司将基于自己的布局方案开发系统需求，并研究如何降低研制和飞行试验的风险。瓦格纳表示，这将帮助NASA在2017年早些时候基于现有预算做出明智的决策。

NASA此次授予4家公司的合同周期为半年，最终将在2017年3月进行系统需求评审（SRR）。系统需求应包括飞行验证机相关的外模线、结构、发动机、航电、仪表、电气和其他系统等的技术要求。在NASA确定验证机项目后，下一阶段的竞标将采用竞争方式。这种方式类似于QueSST验证机项目，洛马在2017年7月完成QueSST验证机初步设计（17个月，2000万美元）后将方案提交给NASA，NASA再进行竞争招标，重新选择制造商研制验证机。瓦格纳表示：“目前亚声速验证机如何竞标还没有确定，届时将借鉴QueSST验证机的经验。”

4家企业5个方案参与角逐

此次获得NASA合同的4家企业共提出了5种UEST验证机方案，分别是极光飞行科学公司的D8双气泡飞机，波音公司的翼身融合体（BWB）和桁架支撑机翼布局（TBW），洛马公司的混合翼身布局（HWB）以及Dzyne技术公司的BWB布局。

NASA此前已经资助波音开展了大量关于BWB和TBW布局的研究。极光飞行科学公司则是在NASA和FAA的共同资助下推进D8布局的研究。洛马公司则在美国空军研究实验室和NASA的资助下开展HWB布局研究。

极光飞行科学公司获得了290万美元合同，同麻省理工学院合作研究D8双气泡飞机的系统需求。D8飞机具有宽大的机身和小型机翼，发动机采用半埋式安装在机身尾部，利用了附面层抽吸（BLI）效应降低阻力。已经完成的风洞试验显示BLI效应可使该布局降低15%的燃油消耗。

波音公司获得两份合同，分别是187万美元的翼身融合体（BWB）和257万美元的桁架支撑机翼（TBW）布局系统需求研究。BWB布局是波音已经研究多年的一种将机翼和机身融合设计（共同提供升力和装载空间）的新概念构型，具有较高的气动和结构效率。波音和NASA已经合作研究BWB布局20多年，并在2010～2013年间利用X-48B/C无人缩比验证机进行了多轮的飞行试验，可以说该布局是目前最成熟的大尺寸X验证机方案。研究显示，相比当前300座级的传统布局客机，BWB布局可节省油耗53%，噪声相比FAA36部第4阶段噪声裕度为40dB；波音还在环境负责任航空计划下为BWB布局的非圆形截面增压舱设计了“拉挤棒缝合高效组合结构”（Prseus），并制造了9.1米宽的中央翼盒试验件，在破坏性结构测试中其抗损伤能力超出了设计指标。

TBW布局采用桁架支撑机翼，使得机翼具有较大展长和展弦比，从而极大降低了诱导阻力。最新的设计方案展长达到52米，与展长36米的波音737相比，展弦比可达19.55，而波音787和737的展弦比分别为11和9。

洛马公司获得245万美元合同研究混合翼身（HWB）布局系统需求。HWB布局在前体采用翼身融合设计，尾部采用传统T型尾翼，可以说是结合了BWB布局和传统有尾布局的优点，在具有较高气动和结构效率的同时，提高了飞机的操纵性和稳定性。

Dzyne技术公司获得193万美元合同研究小型客机/喷气公务机级别的BWB布局系统需求。与波音不同，Dzyne技术公司关注的是支线飞机、公务机等小型民机的BWB布局。该公司认为，如果小型飞机应用BWB布局，仍采用类似大型BWB飞机使用的客舱在上、货仓和起落架在下的双层中机身，将带来中央机身过高和机翼太厚，并不利于高效跨声速巡航。Dzyne技术公司是首个提出支线飞机/公务机级别BWB方案的制造商，以下将简要介绍该方案的主要特点。

Dzyne技术公司首个BWB布局支线飞机方案——“攀登”

Dzyne技术公司成立于2012年，业务范围包括为从无人垂直起降旋翼机到M10轻型飞机设计方案。Dzyne技术公司副总裁兼首席科学家马克·佩奇也是BWB布局的联合发明人，他在20世纪90年代曾是NASA/麦道BWB项目的技术经理。Dzyne技术公司采用了创新的设计，将BWB布局小型飞机的起落架从客舱下方移到外侧，实现了单层的机身和轻薄的机翼。货物和行李存储在机翼根部。

对于100000磅（45吨）级别（类似新泽西州泰特波罗等主要喷气公务机机场允许的最大起飞重量）的公务机，采用Dzyne技术公司的BWB布局，与现役专门设计的远程、大客舱喷气公务机（比如湾流G650）相比，客舱地板面积是后者的三倍。这使得可以有更多的会议室、健身房和卧室。对于110～130座级的超级喷气支线飞机，采用Dzyne技术公司的BWB布局可实现20%的燃油消耗降低。

45吨的喷气公务机和110～130座的喷气支线机采用的BWB布局外形区别不大，翼展都是36米，喷气公务机发动机涵道比稍微小一点，计划采用罗罗BR725级别的发动机；喷气支线机计划采用23000磅（10433千克）级别的CFM Leap或普惠 PW1100G发动机。

客舱门开在40%客舱长度处，乘客登机后向前转进入公务舱，向后走进入经济舱。公务舱有双通道，机身侧壁开有大面积窗户；经济舱为单通道，一侧为6个座位，一排共12个，中间隔有结构墙，头顶有可透过自然光的天窗。紧急出口在驾驶舱后客舱前，位于比较缓和的曲面上。客舱中距离出口的最远座位为8排，比目前的客机少2/3，头顶空间相比现有客机也更大。综合预计，最少可降低15～20分钟停机时间。

Dzyne技术公司没有采用BLI技术，这避免了使用抗畸变风扇的复杂性。但是通过使用外部压缩技术使边界层低能气流改道，对发动机进气口气流进行整流。

目前，Dzyne技术公司将其BWB布局的支线机命名为“攀登”（Ascent），希望寻求NASA的资助；其BWB布局喷气公务机目前还未命名，正在寻找投资人，计划由第一个向该项目投资5000万美元的投资人命名。

NASA内部对验证机成本研究的初步结论

在此次授予4家公司研究合同前，NASA进行过一轮能否将单个验证机成本控制在1亿美元内以及三年内首飞的可行性研究。研究结果显示，每个验证机需要花费3亿美元。

NASA研究了4种35%缩比的UEST验证机——D8、BWB、TBW以及一款用于测试电推进在内多项技术的模块化验证机。NASA阿姆斯特朗飞行研究中心控制和动力学分部的主管斯蒂芬·雅各布森表示，如果X验证机的系统需求同研究目标紧密结合，成本可以有所降低。最终的研究报告建议NASA聚焦每个X验证机的研究目标，针对有限需求，限制验证机的尺寸和降低复杂性。

研究发现，有人驾驶验证机比无人验证机成本更低。雅各布森表示：“你可以去除用于自动驾驶的子系统。虽然有人机需要额外的生命保障设备，但是如果限制飞行高度和包线，可以无须采用增压技术和弹射座椅，这可以节省一大笔经费。”

使用保证安全运行的最简单的控制系统也可以降低成本。“一套液压系统成本为1000～1200万美元，一套数字飞控系统为1000～2000万美元，”雅各布森说，“虽然非传统的BWB布局很可能需要采用电传飞控技术，但是TBW布局可以沿用机械式飞控系统，就像缩比复材公司研制的‘白骑士’2号一样。”

研究报告建议，应使用有经验的制造商研制X验证机，制定有限目标和可行的验证计划。因为研究发现，非传统制造商，包括极光飞行科学公司、缩比复材公司、雅各布森工程公司等研制X验证机的一次性成本相比NASA历史上的X系列验证机“低很多”。

NASA的下一步计划

NASA在NAH计划下将研制多款验证机，包括“综合的”和“特定目的”的两种类型。综合验证机用来验证一整套技术在飞机级的验证；特定目的验证机主要用来验证某个专门的单项技术。NASA此前曾经表示极光飞行科学公司的D8、波音的TBW和洛马的HWB布局属于特定目的验证机，而更加成熟的波音BWB（已经开展过小比例飞行验证，X-48B/C）将是综合集成验证机的有力竞争者。

NAH计划的核心是未来10年会有多个X飞行验证机出现，该计划从2017财年开始启动。目前的计划是X-57在2018年早些时候首飞，QueSST在2019年底首飞，第一架超高效亚声速X验证机2020年后首飞。NASA目前正在寻求更大的资金支持NAH计划。截至目前，国会委员会批准的NASA2017财年经费为7.9亿美元（2016财年为6.4亿美元）。

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