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。

 

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。

 

「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。

 

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。

 

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。