NASA的STARC ABL观点机,尾部有一个大大的电涵道风扇

NASA推出下一代客机概念设计混淆动力驱动有望省油10

STARC ABL的涡扇发动机和尾部电涵道风扇尺寸比拟

边界层(Boundry Layer),是附在机身表面的一个薄层,也叫附面层。
空气由于存在一定粘度的关系,在机身表面的空气速率险些为0;在机身表面法向方向上,附面层的速率变革相称大,也便是说有速率很高的梯度。
附面层流过机身后,会在飞机尾部发生分离,从而产生相称多的涡旋、湍流,导致机身尾部形成一个低压区,而这个低压区就和机身头部的空气形成了一个压差,表现为向后的一个阻力,这个阻力也叫压差阻力或者尾流阻力。
压差阻力是一个很普遍的征象,在汽车上也非常常见,这也是为什么一些豪华跑车会配置一些空气动力学套件的缘故原由。

附面层分离,圈圈状的便是附面层分离后产生的涡旋和湍流

汽车在高速行驶时紧张的阻力都是压差阻力

流经飞灵活员机的空气,赤色为低速的边界层

飞机的压差阻力示意图

既然速率相对较慢的汽车都是如此,飞机的压差阻力自然也就更大了。
而现在在飞机尾部增加的这个电力涵道风扇,起到的浸染正好是将飞机的附面层加速,阻挡附面层形成涡旋和湍流。
这样,尾部的低压区也就不存在了,飞机的压差阻力将大大减小。

附面层(赤色)被风扇加速后,变为高速流动的空气(绿色),不会在尾部形成低压区

实在这个方案早就得到了实际运用,只是最早是用在了炮弹上,而不是翱翔器上。
弹道学专家为了给炮弹减阻增程,在炮弹的尾部增加了一个火箭发动机,在炮弹出膛后火箭发动机事情,排出少量燃气,使得尾部得到了额外能量而改变了流场,从而减少了压差阻力。
底排弹比起普通弹,可增程30%,效果非常明显。

底排弹弹构造,在炮弹尾部有一个火箭发动机

那么NASA的这个设计,到底得到了多大收益呢?首先我们要知道,即便是电动风扇,它的电源也是通过飞灵活员机发电而得来的,飞灵活员发电的过程中本身也是要花费一定燃料的。
但由于BLI减阻收益非常大,使得综合下来还是可以减少很多的燃料花费。
经由实验表明,比起常规的大飞机,STARC-ABL飞机可以节省10%的燃料花费,这可是一项非常重大的革命性成果。

NASA实验的结果,利用BLI+涡扇发动机可以减少10%燃料花费

尾部的BLI能源来自于两台涡扇发动机的发电

还有一个更大的收益是,飞机对涡扇发动机的最大推力需求也降落了。
STARC-ABL在起飞阶段只需发动机达到最大推力的80%,而在巡航时只须要55%,而其他的推力全部由电涵道风扇供应。
这意味着飞机可以选用涵道比更小的涡扇发动机,不仅减少了制造本钱,而且涵道更小的发动机迎风面也更小,进一步降落飞机的阻力。
在NASA的NEAT测试(NASA Electric Aircraft Testbed)中,这个方案也成功实现了在5秒内达到95%的能量输出,以知足紧急起飞情形的需求;此外在现有飞机的翱翔包线中,这种稠浊动力的方案并未涌现意外的失落速,证明了这个别系的鲁棒性。

采取BLI电涵道风扇方案后,涡扇发动机可以选用更小的(由透明绿色的尺寸变为蓝色的尺寸)

电池功能的稠浊动力

如果说STARC ABL比较像丰田的增程式稠浊动力,那么NASA的另一种方案,则更像比亚迪的插电式的稠浊动力,这种方案是直接在飞机内部增加一套动力系统,利用电池驱动电机,电机与涡扇发动机将动力输出到同一个轴上,从而节省了涡扇发动机燃烧室的燃料花费。
由于电力本身来自于电池的充电,不须要涡扇发动机进行发电,以是可以实现更高的燃料节约。

稠浊推进方案采取电-燃复合联合推进

稠浊推进方案的发动机构造

看下图可知,涡桨发动机和涡扇发动机的实际效率只有39%和33%,而电池和氢燃料电池驱动电动机的方案,效率则可以达到73%和44%。
不过由于实际可行性的关系,这种方案比较适用于小型飞机,而大型飞机则更适宜利用STARC ABL这种方案。

涡桨、涡扇发动机和纯电方案的效率比拟

NASA在新能源飞机上已经形成了稠浊动力和涡扇发电两大技能路线,覆盖所有功率级别的飞机

NASA的愿景是,在2035年前,实现30MW功率级的稠浊动力飞机的研制。
这种方案如果能够实用化成功,无疑将对民用航空工业产生一次巨大的家当冲击。