美國航空航天局授予4家公司新構型亞聲速X驗證機系統需求研究合同

美國航空航天局（NASA）已分別授予4家公司（極光飛行科學公司、波音公司、洛馬公司和Dzyne技術公司）研究合同，要求提出其各自建議的「超高效亞聲速運輸機」（UEST）大尺寸飛行驗證機的系統需求，這標誌著NASA亞聲速超高效X驗證機計劃正加速進入實施階段。

一、項目背景

2016年初，NASA公布了「新航空地平線」（NAH）計劃，該計劃的核心是未來10年通過大幅增加預算（預計將超過100億美元），資助4型或5型民用亞聲速和超聲速X試驗飛機的研發建造，以圖為航空工業帶來變革。目前，NASA在新地平線計劃下已經啟動了2個X驗證機，一個是X-57麥克斯韋分布式電推進驗證機，目前處於研製階段；另一個是安靜超聲速低聲爆驗證機（QueSST），目前正由洛馬公司臭鼬工場開展初步設計。

NASA負責驗證機項目的副主管費伊·科利爾表示，他們正在尋找的是能夠滿足NASA中期目標（油耗降低50%～60%，氮氧化物排放降低80%，相比美國聯邦航空局（FAA）第四階段雜訊標準累積雜訊裕度達32～42分貝）、在2025－2035年間服役的亞聲速運輸機方案，他希望亞聲速X驗證機能在2021年首飛。

在NASA此次授予合同之前，其內部研究人員也對每種類型的新概念亞聲速布局進行了可行性研究，其研究成果將於本月提交給NASA領導層，供後者在綜合考慮成本和周期等因素後做出研製大尺寸X驗證機的決策。NASA集成航空系統計劃（IASP）主管艾德·瓦格納表示，NASA目前還沒有獲得NAH的經費，但正在積極推進相關工作，「我們開始考慮驗證不同技術的需求，我們要確保不會錯過任何機會」。

上述4家公司將基於自己的布局方案開發系統需求，並研究如何降低研製和飛行試驗的風險。瓦格納表示，這將幫助NASA在2017年早些時候基於現有預算做出明智的決策。NASA此次授予4家公司的合同周期為半年，最終將在2017年3月進行系統需求評審（SRR）。系統需求應包括飛行驗證機相關的外模線、結構、發動機、航電、儀錶、電氣和其他系統等的技術要求。在NASA確定驗證機項目後，下一階段的競標將採用競爭方式。這種方式類似於QueSST驗證機項目，洛馬在2017年7月完成QueSST驗證機初步設計（17個月，2000萬美元）後將方案提交給NASA，NASA再進行競爭招標，重新選擇製造商研製驗證機。瓦格納表示：「目前亞聲速驗證機如何競標還沒有確定，屆時將借鑒QueSST驗證機的經驗」。

二、4家企業5個方案參與角逐

此次獲得NASA合同的4家企業分別是極光飛行科學公司、波音公司、洛馬公司和Dzyne技術公司，他們共提出了5種UEST驗證機方案，分別是極光飛行科學公司的D8雙氣泡飛機，波音公司的翼身融合體（BWB）和桁架支撐機翼布局（TBW），洛馬公司的混合翼身布局（HWB）以及Dzyne技術公司的BWB布局。

NASA此前已經資助波音開展了大量關於BWB和TBW布局的研究。極光飛行科學公司則是在NASA和FAA的共同資助下推進D8布局的研究。洛馬公司則在美國空軍研究實驗室和NASA的資助下開展HWB布局研究。

4型NASA新的X驗證機備選方案（從左上順時針方向）：極光飛行科學公司的D8雙氣泡布局；波音BWB布局；波音桁架支撐機翼布局；洛馬HWB布局（圖中未展示Dzyne技術公司的BWB布局）

極光飛行科學公司獲得了290萬美元合同，同麻省理工學院合作研究D8雙氣泡飛機的系統需求。D8飛機具有寬大的機身和小型機翼，發動機採用半埋式安裝在機身尾部，利用了附面層抽吸（BLI）效應降低阻力。已經完成的風洞試驗顯示BLI效應可使該布局降低15%的燃油消耗。

波音公司獲得兩份合同，分別是187萬美元的翼身融合體（BWB）和257萬美元的桁架支撐機翼（TBW）布局系統需求研究。BWB布局是波音已經研究多年的一種將機翼和機身融合設計（共同提供升力和裝載空間）的新概念構型，具有較高的氣動和結構效率。波音和NASA已經合作研究BWB布局20多年，並在2010－2013年間利用X-48B/C無人縮比驗證機進行了多輪的飛行試驗，可以說該布局是目前最成熟的大尺寸X驗證機方案。研究顯示，相比當前300座級的傳統布局客機，BWB布局可節省油耗53%，雜訊相比FAA第36部第4階段雜訊裕度為40分貝；波音還在環境負責任航空計劃下為BWB布局的非圓形截面增壓艙設計了「拉擠棒縫合高效組合結構」（Prseus），並製造了9.1米寬的中央翼盒試驗件，在破壞性結構測試中其抗損傷能力超出了設計指標。

TBW布局採用桁架支撐機翼，使得機翼具有較大展長和展弦比，從而極大降低了誘導阻力。最新的設計方案展長達到52米，與展長36米的波音737相比，展弦比可達19.55，而波音787和737的展弦比分別為11和9。

洛馬公司獲得245萬美元合同研究混合翼身（HWB）布局系統需求。HWB布局在前體採用翼身融合設計，尾部採用傳統T型尾翼，可以說是結合了BWB布局和傳統有尾布局的優點，在具有較高氣動和結構效率的同時，提高了飛機的操縱性和穩定性。

Dzyne技術公司獲得193萬美元合同研究小型客機/噴氣公務機級別的BWB布局系統需求。與波音不同，Dzyne技術公司關注的是支線飛機、公務機等小型民機的BWB布局。該公司認為，如果小型飛機應用BWB布局，仍採用類似大型BWB飛機使用的客艙在上、貨艙和起落架在下的雙層中機身，將帶來中央機身過高和機翼太厚，並不利於高效跨聲速巡航。Dzyne技術公司是首個提出支線飛機/公務機級別BWB方案的製造商，以下將簡要介紹該方案的主要特點。

三、Dzyne技術公司提出首個BWB布局支線飛機方案——「攀登」

單層機身，機身頂部天窗和半埋入式發動機是Dzyne技術公司小型BWB客機的主要外形特點

Dzyne技術公司成立於2012年，業務範圍包括為從無人垂直起降旋翼機到M10輕型飛機設計方案。Dzyne技術公司副總裁兼首席科學家馬克?佩奇也是BWB布局的聯合發明人，他在上世紀90年代曾是NASA/麥道BWB項目的技術經理。Dzyne技術公司採用了創新的設計，將BWB布局小型飛機的起落架從客艙下方移到外側，實現了單層的機身和輕薄的機翼。貨物和行李存儲在機翼根部。

對於100000磅（45噸）級別（類似新澤西州泰特波羅等主要噴氣公務機機場允許的最大起飛重量）的公務機，採用Dzyne技術公司的BWB布局，與現役專門設計的遠程、大客艙噴氣公務機（比如灣流G650）相比，客艙地板面積是後者的三倍。這使得可以有更多的會議室、健身房和卧室。對於110～130座級的超級噴氣支線飛機，採用Dzyne技術公司的BWB布局可提供20%的燃油消耗降低。

45噸的噴氣公務機和110～130座的噴氣支線機採用的BWB布局外形區別不大，翼展都是36米，噴氣公務機發動機涵道比稍微小一點，計劃採用羅羅BR725級別的發動機；噴氣支線機計劃採用23000磅（10433公斤）級別的CFM Leap或普惠PW1100G發動機。

客艙門開在40%客艙長度處，乘客登機後向前轉進入公務艙，向後走進入經濟艙。公務艙有雙通道，機身側壁開有大面積窗戶；經濟艙為單通道，一側為6個座位，一排共12個，中間隔有結構牆，頭頂有可透過自然光的天窗。緊急出口在駕駛艙後客艙前，位於比較緩和的曲面上。客艙中距離出口的最遠座位為8排，比目前的客機少2/3，頭頂空間相比現有客機也更大。綜合預計，最少可降低15～20分鐘停機時間。

Dzyne技術公司沒有採用BLI技術，這避免了使用抗畸變風扇的複雜性。但是通過使用外部壓縮技術使邊界層低能氣流改道，對發動機進氣口氣流進行整流。

目前，Dzyne技術公司將其BWB布局的支線機命名為「攀登」（Ascent），希望尋求NASA的資助；其BWB布局噴氣公務機目前還未命名，正在尋找投資人，計劃由第一個向該項目投資5000萬美元的投資人命名。

四、NASA內部對驗證機成本研究的初步結論

在此次授予4家公司研究合同前，NASA進行過一輪能否將單個驗證機成本控制在1億美元內以及三年內首飛的可行性研究。研究結果顯示，每個驗證機需要花費3億美元。

NASA研究了4種35%縮比的UEST驗證機——D8，BWB，TBW以及一款用於測試電推進在內多項技術的模塊化驗證機。NASA阿姆斯特朗飛行研究中心控制和動力學分部的主管斯蒂芬·雅各布森表示，如果X驗證機的系統需求同研究目標緊密結合，成本可以有所降低。最終的研究報告建議NASA聚焦每個X驗證機的研究目標，針對有限需求，限制驗證機的尺寸和降低複雜性。

研究發現，有人駕駛驗證機比無人驗證機成本更低。雅各布森表示：「你可以去除用於自動駕駛的子系統。雖然有人機需要額外的生命保障設備，但是如果限制飛行高度和包線，可以無需採用增壓技術和彈射座椅，這可以節省一大筆經費」。

使用保證安全運行的最簡單的控制系統也可以降低成本。「一套液壓系統成本為1000～1200萬美元，一套數字飛控系統為1000～2000萬美元，」雅各布森說，「雖然非傳統的BWB布局很可能需要採用電傳飛控技術，但是TBW布局可以沿用機械式飛控系統，就像縮比復材公司研製的白騎士2號一樣」。

研究報告建議，應使用有經驗的製造商研製X驗證機，制定有限目標和可行的驗證計劃。因為研究發現，非傳統製造商，包括極光飛行科學公司、縮比復材公司、雅各布森工程公司等研製X驗證機的一次性成本相比NASA歷史上的X系列驗證機「低很多」。

五、NASA的下一步計劃

NASA在NAH計劃下將研製多款驗證機，包括「綜合的」和「特定目的」的兩種類型。綜合驗證機用來驗證一整套技術在飛機級的驗證;特定目的驗證機主要用來驗證某個專門的單項技術。NASA此前曾經表示極光飛行科學公司的D8、波音的TBW和洛馬的HWB布局屬於特定目的驗證機，而更加成熟的波音BWB（已經開展過小比例飛行驗證，X-48B/C）將是綜合集成驗證機的有力競爭者。

NAH計劃的核心是未來10年會有多個X飛行驗證機出現，該計劃從2017財年開始啟動。目前的計劃是X-57在2018年早些時候首飛，QueSST在2019年底首飛，第一架超高效亞聲速X驗證機2020年後首飛。NASA目前正在尋求更大的資金支持NAH計劃。截至目前，國會委員會批准的NASA2017財年經費為7.9億美元（2016財年為6.4億美元）。

（中國航空研究院 王元元）

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