小型喷气式飞机创新设计：更快、更远、更节能

当今的计算机已经能够参与大量的飞机设计工作，但是，要了解新的飞机设计在空中的实际性能，最好的办法就是在风洞中模拟实际情况。美国国家航空航天局（NASA）的国家跨声速风洞（NTF）是全世界数一数二的试验设施之一。当NASA工程师不使用风洞设施进行创新设计试验验证时，私营企业可以向NASA支付一定的费用，用以利用这些设施的空闲时间开展试验。

本田飞机公司在设计新型商务喷气飞机时就是这样做的，其首席执行官兼总裁藤野道格提到，经过“大量的流体动力学（CFD）计算研究”，该公司研究得到了新的飞机机身及其OTWEM布局（Over-the-Wing-Engine-Mount，发动机安置在主翼上方的最佳位置）。“我们发现，如果我们把发动机安置在机翼上方的某个最佳位置，就会找到一个可以减小兴波阻力的最有效点。”在本田公司准备投资新的公司业务和系列产品之前，需要测试实际条件下的设计变量。“为了试验验证我们的设计理念，我们在世界各地寻找合适的风洞，”藤野回忆道。而NASA兰利研究中心的NTF就成了毋庸置疑的选择。

“NTF是世界上第一个加压风洞，目前，这种风洞全世界只有两个。”高级技术顾问理查德·瓦尔斯（Richard Wahls）在NTF所在地向NASA先进飞行器计划主管这样解释道。NTF于1983年正式投入运行，旨在帮助设计开发更大型的飞机。“20世纪60年代和70年代，在飞机试飞过程中总会有不少意外情况出现。例如，如果机翼上的冲击波处于预料之外的不同位置，那么相应的空气动力负载可能也会与预期不同，”瓦尔斯说道。“但到了开发过程的这个阶段，你无法从头开始，所以你必须弄清楚如何进行补救。”补救的方法往往是增大飞机的重量，其他方法无法达到最佳效果。这并不是因为没有进行风洞试验。实际上，设计单位都进行了风洞试验，包括NASA。但是他们都没有对一个重要问题进行修正：实际的飞机比试验的飞机模型要大得多，通常达到50倍，而周围空气中的分子大小相同。瓦尔斯表示：“根据空气的特征，分子间存在一定的间距，这是人眼看不到的。”而空气以特定的方式沿飞机曲线移动。“空气在小型模型上的行为会有所不同，因为虽然分子间距相同，但是其流经的几何体更小。”在数学上，表示这一关系的参数称为雷诺数。为了部分校正雷诺数的这一差异，NTF像其他一些风洞一样，采用加压的方式，即根据飞机的大小成比例压缩空气。但是，要模拟大型飞机，加压的办法就不足以模拟实际的飞行条件。为了实现这一点，NTF还可以在低至–250°F的温度下泵入纯氮气，进一步提高空气密度，以模拟飞机在高空的实际飞行条件。

NASA在许多项目中都使用了NTF，其中包括研究不同雷诺数的空气在各种简单几何形状上流动情况的基础理论研究，通过该研究可以改进计算模型。NASA还利用NTF测试了飞机设计方面的创新，其中一些创新设计（比如小翼）已成为现代喷气式飞机的标准配置。如今，NASA使用NTF来测试先进的飞机设计理念，比如混合翼身，一种扁平的三角形设计，有朝一日其可能取代今天已为人熟知的飞机外形（管状机身及突出的机翼）。

当NASA不需要使用NTF时，私营企业也可以使用该设施。NASA和这些公司可以签订合作合同，分担成本费用并分享得到的试验数据，也可以签订完全偿付合同，由私营企业自行承担使用风洞的费用，并对其数据保留全部权利。瓦尔斯提到，本田飞机公司当时谈的是第二种合同。藤野和他的团队已经完成了他们飞机的大部分设计工作，但需要做最终试验。“要同时实现高雷诺数和高马赫数的试验条件，NASA是提供这种试验条件的不二选择。”藤田回忆道，“而且NASA的风洞为我们提供了极高精度的试验结果，因为其仪器能够完成非常复杂的制表和数据采集工作。”

该团队先期就与NASA的风洞专家展开合作，以确保他们的模型（全尺寸喷气式飞机大小的10%）设计合理，可以承受高速试验，并可与所有仪器连接。之后，他们进行了为期一周的试验，“通过NASA非常高效的试验过程，我们取得了大量数据。”藤野说道，“通过这一试验，可以权衡各种OTWEM布局方案，并最终选出最佳方案，而最主要的是，试验证明了现有的设计达到了预期的效果。试验结果证实了我的设计理念，这让我有了更强的信心进入商业生产阶段。”藤野说道，“试验结果证明，该飞机设计不仅理论上是合理的，而且在实际上也是可行的。”继2005年的风洞试验之后，本田公司在北卡罗来纳州的格林斯博罗成立了一家民用航空子公司，即本田飞机公司，该公司现在一共有1700名工人在从事飞机制造工作。

▲NASA正在利用NTF开展混合翼身运输机试验验证。较之传统的飞机外形，这种混合结构更加省油，且空气动力学性能更佳。而NTF属于加压风洞，可以泵入纯氮气来进行加压，这也使得该风洞能够比其他风洞更好地模拟空中的真实情况

新型喷气式飞机的关键创新之处在于OTWEM布局，它与以往的轻型喷气式飞机有很大不同，以往的轻型喷气式飞机通常将发动机安装在机身即飞机的主体上。将发动机安装在机翼上会影响空气流动，但通过NTF试验发现，本田公司的设计有一个“最有效点”，可以切实地减小冲击波，从而降低阻力。正是因为这个缘故，这种名为HondaJet的轻型喷气机在同类机型中拥有最快的巡航速度，最快达0.22km/s，飞行高度达13.11km，在同类机型中也具有最高的技术规格。这种轻型喷气式飞机最近创下了两项速度记录，其一是从新泽西州泰特波罗飞往佛罗里达州劳德代尔堡，用时2小时51分，其二是从马萨诸塞州波士顿飞往佛罗里达州棕榈滩，用时2小时58分钟。阻力降低的同时也提高了喷气飞机的燃油效率，使得其运行成本也低于其他轻型喷气飞机。据本田飞机公司估算，在飞行条件相同、操作员相同、飞行距离也相同的情况下，这种新的布局可比一般布局的飞机节省多达17%的燃料。OTWEM布局还可提高乘客的舒适度。藤野表示，由于发动机不占任何空间，客舱内的空间将会更大；再加上不会传递振动，从而减少了噪音。该公司主打私人飞机客户和需要频繁出差的小型企业主这一细分市场。该公司于2015年末开始出售喷气机，已向南北美洲和欧洲售出超过100架飞机，起价约为500万美元。该公司最近还将销售范围扩大到中美洲，同时还将目光投向了中东地区。

回到NASA兰利研究中心，NTF还在继续试验航空领域的尖端技术。“你可以把它看做一种降低风险的措施”，瓦尔斯解释道，“有人会提出想法，但你需要把纸上的想法变成现实。其中，一部分工作可以通过CFD来实现，这将耗费较长的时间，同时，您还希望能够得到一些试验数据。”NASA的先进设施就能够帮助人们实现这一目标。