全翼飛機 (Blended Wing Body Airplane)

「全翼飛機」(Blended Wing Body Airplane)1是指一種沒有尾翼,而且機身和機翼合而為一的飛機,簡稱全翼機;大家熟悉的美國空軍的B2隱形轟炸機(B2-Spirit)就是全翼機。

來源:美國軍方公布的B2隱形轟炸機(B2-Spirit)

 

單就空氣動力理論而言,全翼機優於傳統的圓桶機身(fuselage)加機翼(wing)的造型。

過去六十年飛機製造工藝不斷的提升,舉凡材料革新、引擎性能改進、機翼設計以及電控系統都有長足的進步;單就以節能來說,現代飛機乘客人均每公里耗油量已經降低到過去的50%,但是飛機的外型大體上沒有改變。

現代噴射客機的始祖源自1947年波音製造的B-47轟炸機,它的機型就是圓桶機身加上掛有噴射引擎的兩個後掠機翼。由於B-47的成功,波音以B-47機型為樣本,開發出全球第一架噴射客機波音707。從1957年的波音707,到最近的波音777X,飛機的外型超過一甲子,還是維持著一貫的圓桶機身加機翼。

過去六十多年期間,NASA與民間飛機公司的研發部門也不斷嚐試著跳脫出傳統巢臼,提出創新的飛機外型設計,但是始終都無法取代傳統機型。在日益高漲的環保意識下,使用石化燃料受到限制,這才使得顛覆傳統的飛機外型設計再度被重視。我們在這一篇就介紹全翼飛機未來普及的可能性。

 

傳統空氣動力設計

在談全翼機之前,讓我們先瞭解一下傳統圓桶機身(fuselage)加機翼(wing)機型的優缺點。

圓桶機身受力均勻:飛行中機艙內的加壓造成機身膨脹,艙內加壓與艙外大氣壓所產生的壓力差,其張力可以均勻分布在機身的表面蒙皮上。因為飛機每天起起降降,機身需要承受多次的壓力變化週期 -- 圓桶型機身就是應付這種週期性壓力變化的最佳型狀,而且圓桶型機身還容易加長或縮短,方便設計製造成不同載客量的飛機,例如737-100、200、300、400等等。

這種傳統圓桶狀機型(以波音737為例)存在著先天性的缺點 -- 為了安全穩定飛行,飛機的「空氣壓力中心」(Center of Pressure, cp) 需要落在「重心」(Center of Gravity, cg)的後方(參見下方示意圖):重心是飛機的旋轉中心,位於cp位置的升力(Lift)會在旋轉中心產生逆時鐘方向力矩,這個力距自然會將機頭往下壓(Pitch down);為了平衡這個逆時鐘力矩,傳統機型就需要設計「水平尾翼」(Horizontal Stabilizer)呈「負攻角」(Negative Angle of Attack)姿態(參見下圖中尾端的虛線斜度),以產生一個「向下的作用力」(Negative Tail Lift),這個向下的作用力能夠在旋轉中心,產生順時鐘方向的力矩,這樣就能夠抵銷逆時鐘方向的力矩,飛機也才能夠維持水平飛行的姿態。

來源:波音737 的外力示意圖(Free Body Diagram)

 

「水平尾翼」的英文被稱為Horizontal Stabilizer就是說明:空氣動力會自動平衡飛行姿態的設計功能 -- 當飛機遇到會使得機身上仰(Pitch up)的陣風時,上圖的機尾虛線就會變平,代表著攻角變小。當攻角變小,負向升力也會變小;負向升力變小,順時鐘力距自然也變小,這樣逆時鐘力距就會大於順時鐘力距,機頭就會被正反的力矩差往下壓,再回復到水平飛行的姿態,反之亦然。所以,飛行員可以什麼事都不用做,飛機的空氣動力設計就會自動調整飛行姿態。

但是問題來了,飛機是靠升力在空中飛行,然而水平尾翼產生的是負升力把飛機的升力抵銷了一部分;在巡航狀態(Cruise)下,尾翼向下的作用力相當於增加飛機5%的重量,這是一筆可觀的能量損失。為了彌補水平尾翼所造成的升力損失,機翼的攻角就需要設計的稍微大一些,不過這樣又會增加「誘導阻力」(Induced Drag)。此外,尾翼本身所產生的各種阻力中,「表面摩擦阻力」(Skin Friction Drag)就佔了總體摩擦阻力的25 - 35%,這也是相當可觀的能量損失。

 

全翼機的創新設計

傳統機型的空氣動力設計缺點已經點出來了,讀者可能會想到把「壓力中心」(cp) 往前移到重心位置,不是就可以省去尾翼了嗎?答案是肯定的,這就是全翼機的創新設計。

早在90年代當時的麥道公司(McDonnell Douglas)為了突破和波音與空中巴士在商用飛機市場上的競爭,就著手研發全翼機;麥道在1997年被波音併購後,波音仍繼續與NASA合作研發X-48全翼機(參見下圖) – 這只是一架小尺寸的「無人機」(Unmanned Aerial Vehicle, UAV),用來研究全翼機的可行性。

全翼機的優點是:機身與機翼一體,能夠有効產生升力,再加上沒有垂直及水平尾翼,不但飛機重量減輕,又可以減少許多的阻力,所以它比同容量的傳統飛機要省油27%。這是什麼慨念?假如全球客機都改成全翼機的話,那麼全年可以省下260億加侖的燃油;台灣中油公司的汽油年產量大約為8250千公秉,換句話說,全球飛機如果全部改成全翼機,一年就可以省下中油12年的產量。

來源:波音公司提供X-48全翼機的原型機

 

但是,全翼飛機最大的挑戰在於穩定性與控制性。因為全翼機的壓力中心靠近重心,又沒有尾翼,所以飛行控制就完全需要依靠後方的「控制翼」(Control Surfaces)。

因為飛機隨時都可能會遭遇到不穩定氣流,因而擾動到飛行姿態。前一節所提到傳統機型的尾翼可以提供穩定的力矩,那是屬於「被動式控制」(Passive Control);全翼機沒有水平穩定翼,一切全靠「主動式控制」(Active Control)。這種無時無刻的主動式控制飛行員是無法做到的,一定需要依靠電腦的自動控制即是所謂的自動「電傳飛行」(fly-by-wire),就如同火箭控制一樣由電腦根據數據經運算,發出指令傳到「促動器」(Actuator ),移動控制面來控制飛機姿態。

波音與NASA研發的X-48其中一個主要目標,就是設計飛行控制邏輯,畢竟完全靠「傳感器」(Sensor)、「慣性測量儀」(Inertial Measurement Unit, IMU)與電腦來控制商用客機飛行,是很難被普羅大眾接受的,所以一定要做到萬無一失。完全依靠飛行控制邏輯及電腦來操控飛行並不是不可能,因為B2轟炸機就是全翼機的一個成功案例。

全翼機的外型粗短,機艙內座位安排比較像電影院,設有五、六排的通道方便旅客上下飛機及緊急疏散,但是缺點是沒有窗戶。航空公司若採用這種飛機,機場的登機柵門及空橋勢必也需要做修改(參見下圖)2

來源:波音公司提供全翼客機的示意圖

 

結語

由於全球環保意識日趨重要,取代「石化燃料」(Fossil Fuel)已成必然趨勢。目前商用飛機所使用的航空燃油,最有可能會被「氫燃料」(Hydrogen Fuel)取代 -- 氫燃料燃燒後排放的是水蒸氣,但是裝載氫燃料的設備卻是目前傳統型飛機所無法實現的,擁有巨大裝載空間的全翼機才有可能實現裝載氫燃料。或許在不久的將來,全翼飛機有可能會成為全球商用飛機的主流趨勢。

 

 

參考資料:

附註一、Blended Wing Body, https://en.wikipedia.org/wiki/Blended_wing_body

附註二、The future of airliners? The Plane That Will Change Travel Forever, by Real Engineering, https://youtu.be/59A8-rKRs-0

 

 

作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

 

(Visited 1 times, 1 visits today)
views