噪声是困扰航空发展的一大问题，经过上百年的演化，结合先进的仿真技术，飞机的噪声控制已经有了很大的进步，不过仍然没有出现革命性的变化；直到近年航空科技进入到电推进热潮之后，静谧飞行才变为可能。

本文介绍的电动静音飞行技术来自于Whisper Aero。前一篇已经介绍了动力部分（参见：怎样实现静谧飞行？--动力篇），本篇介绍飞机布局设计相关的部分。

 

1.喷气翼集成布局设计

Whisper Aero 提出了“Jetfoil”（喷气翼）概念，作为一种将 EDF（电动涵道风扇） 集成到机翼中的方法，以实现高巡航效率和极高的 CLmax ，同时保留和改进 eQ 推进器（前文介绍的电动静音涵道动力单元）的低噪音特性。该概念如下图所示，由一系列合并到机翼前缘的涵道风扇组成，以便喷流从机翼中部上表面排出，该设计的航程优势超过此前任何其他的吹气增升机翼设计。

 

 

图↑ Jetfoil喷气翼设计

 

还有一个更早提出这样集成涵道螺旋桨的设计，那就是ONERA AMPERE（法宇航 安培）试验飞机，Whisper Aero在此基础上进一步提升性能。

 

 

图↑ ONERA AMPERE

 

Jetfoli喷气翼设计的主要优势：

（1）阻力更低

提升飞机高速飞行的气动效率需要拥有更低级别的阻力，Jetfoil 通过减少寄生阻力和诱导阻力源来实现这一目标。与 X-57 原理相同，喷气翼可以利用动力增升，以 61节（113km/h）的失速速度实现 CLmax > 6，并且机翼面积比常规无动力增升的机翼更小。较小的机翼面积不仅减少了润湿面积，而且能够以更高的升力系数和更高的升阻比巡航。此外，通过将涵道风扇作为阵列集成到机翼中，与独立的涵道和机翼相比，总润湿面积大幅减少。

Jetfoil把喷气流从旋转和展向不连续变为了非旋转（通过定子）和展向连续的高速气流，去掉了前缘螺旋桨增升导致的巨大诱导阻力，与干净机翼相当。

 

 

图↑ Jetfoil展向升力分布平顺

（2）噪音降低

由于叶片的噪音频率已经被推到了人耳听不到的超声波领域，剩下的噪声主要是湍流吸入、射流混合和射流冲击。

 

入口中的附面层积聚是转子遇到的最大湍流源之一。通过将涵道风扇集成到机翼的前缘，附面层在到达转子时几乎没有时间变厚。如果雷诺数足够低，附面层甚至可以是层流。如果风扇集成到后缘，则吸入的附面层在机翼弦上积聚后会变得相当厚。Jetfoil的气流进口是有一个低头角度的，与机翼前的上洗效应气流走向一致，进一步降低噪音。

 

当高速气流喷射到较慢移动的环境流中时，会出现喷射混合噪声，导致混合界面处出现湍流。Whisper Aero 的选型研究表明，对于给定的推力和飞行速度要求，最佳风扇压力比会随着多个风扇上的推力分布的增加而降低。由于射流排气速度与风扇压力比直接相关，Jetfoil的高度分布式配置自然改善了射流混合噪声。Jetfoil 还采用简单的 2D可变面积排气装置，可进一步降低起飞和进场等低速阶段的风扇压力比和混合噪音。最后，通过在上机翼表面排气，喷气翼有助于保护地面观察者免受喷气混合噪音的影响。

 

当一个物体与推进器的滑流相遇时，会产生喷射冲击噪声。这导致局部流场和表面压力的不稳定波动。波动的频率通常较低，因此产生的噪音在大气中衰减缓慢。与前缘螺旋桨阵列相比，Jetfoil的上表面吹气设计使机翼仅暴露于稳定且未混合的排气射流，以最大限度地减少气流冲击噪音。

 

 

图↑ Jetfoil剖面控制线

 

 

图↑ Jetfoil可控喷口和后缘舵面

 

 

图↑ Jetfoil流场特点

 

（3）乘坐品质提升

 

Jetfoil 在30节（56km/h）的低速下升力系数可达到13，随着巡航速度增加，喷气流的速度将与前方自由来流相当，动力增升效果逐步自动消失，这是一种被动办法，可实现更高的机翼负载，提高巡航效率和乘坐品质。

 

（4）结构优势

 

Jetfoil 允许主翼型具有比典型横截面积更厚的横截面面积，从而更好抵抗机翼弯扭变形。如果上涵道也用于结构性机翼弯扭缓解（相当于盒型翼），则有效机翼厚度/弦长会更加显著地增加，可实现轻质机翼结构设计。

 

 

图↑ Jetfoil可起到盒型翼结构作用

 

在低速增升方面，Jetfoil 喷气翼集成可以与卡斯特沟槽翼进行比较，实现高度相似的Clmax能力。主要区别在于，Jetfoil 喷气翼使所有升力能够垂直向上，而不是沟槽两侧升力向内推（不对整体升力做出贡献）。卡斯特沟槽翼虽然在产生升力方面非常有效，但由于额外的浸润面积会导致非常高的巡航阻力。这两种方法都能够在没有后缘襟翼的情况下实现高 CLmax，从而简化机翼系统，降低机翼结构重量和成本。

 

 

图↑ Custer CCW（卡斯特沟槽翼）

当然，也有单位在研究新一代的沟槽翼技术，比如HopFlyt公司的电动飞机系列，用于常规起降应该性能合适，但是用于eVTOL在倾转过程中也会遇到很多问题待解决。

 

 

 

图↑ HopFlyt  eVTOL概念

 

 

2.现有分布式电涵道布局设计的不足

（1）Lilium Jet

 

Lilium 采用了Jetflap 推力矢量控制技术，带来了一些收益，但矢量推力的后部载荷也会导致非常强的俯仰力矩，必须使用鸭翼配置进行校正，这会导致额外的配置损失。此外，由于 Lilium 将湍流的机翼气流吸入到后部的涵道中，因此需要更长的涵道以在湍流撞击风扇面之前消除流动变形，从而增加了浸润面积。由于涵道集成在较薄的后缘（而不是较厚的前缘），机翼受力不佳，这导致该动力集成的额外重量增加，外涵道表面大部分暴露在外，寄生阻力增加，飞机的整体浸润面积大幅增加，降低了飞机的升阻比。从声学角度来看，Lilium无法实现喷气噪声的机翼屏蔽，这是一种在大气中无法有效衰减的低频噪声源。Lilium 能够实现风扇噪音的机翼屏蔽，这是 Jetfoil 无法实现的。然而，对于使用 Whisper Aero EDF 的 Jetfoil 集成，除了无法听到的超声波频率外，几乎没有风扇噪音 - 高频噪音在大气中衰减得非常快（或者在机舱噪音方面有结构墙）。Lilium Jetflap 概念最不利的方面是它们使用非常高的桨盘负载，大于1200kg/㎡，这相当于其他eVTOL的20 倍，导致起飞和着陆期间的功率极高，而当前的电池难以同时实现高比能量和高比功率。这需要 Lilium 使用循环寿命短的昂贵实验室电池。从电池汲取的如此高的比功率还会在拉动电流时引起电压降，这对于处于低充电水平的电池来说尤其成问题，并导致大约 20% 的锂电池容量无法使用（除非它们改为常规滑跑起降，这个不需要高功率）。所有这些缺陷都是Lilium 特定概念方法所特有的，但这并不意味着 EDF无法实现引人注目的飞机解决方案。

 

 

图↑ Lilium Jetflap

 

 

图↑ Lilium JetFlap位于翼面后方

 

（2）Pantuo Pantala

 

Pantuo的设计不是将涵道推进器集成到机翼中，而更多的是尝试将涵道推进器阵列用作分布式环形翼使用，类似于XV-24 “LightningStrike”。在倾转时，这种设计会导致涵道下唇缘的内部承受低压甚至气流分离，而涵道上唇缘的内部承受更高的压力，这会在风扇叶片上引起周期性载荷，导致产生风扇效率低下、噪音高、推进系统寿命缩短以及翼展升力分布不佳阻力增大等不利因素。

 

 

 

图↑ Pantuo Pantala验证机和效果图

 

 

图↑ Aurora XV-24验证机

 

（3）Flyby Jackal

 

Jackal采用前缘涵道推进，避免了前缘螺旋桨的涡流问题，但增加了许多额外的浸润面积和许多相交表面，导致出现大量的分离流，推进效率极其低下。该公司已经测试了2个、4个、6个的前缘涵道推进方案，还没有最终定型，暂未看到完成过渡飞行的报道。

 

 

 

 

图↑ Jackal的涵道有多种方案

 

 

图↑ Jackal的涵道相交面很多

 

（4）Airbus E-FAN

 

很明显，这是采用了类似于喷气公务机动力的布置方式。在电池电动飞机的情况下，这种方案的动力系统会比使用螺旋桨的情况更重、更拖沓，而且全机浸润面积也更大，涵道与机身产生额外干扰，导致巡航效率低。

 

 

 

图↑ Airbus E-FAN

 

（5） Ball-Bartoe JW-1 Jetwing

 

1970年代的 Ball-Bartoe JW-1 Jetwing概念是一次有趣的尝试，它使用单个涡轮风扇来实现类似于Jetfoil的分布式推力效果。由于使用类似喷射器的排气喷嘴将热气体引导通过机身和机翼会造成内部压力损失，因此它取得了比较小的成功。推力喷口仅延伸至70%机翼翼展跨度，由于小管道损失增加，导致部分跨度位置升力变化较大，产生较大的脱落涡。

 

 

 

图↑ JW-1 Jetwing将喷气流吹到机翼上

 

 

3.采用开式尾撑外置平尾布局（OHT）

Jetfoil动力组合在起飞、着陆和低速飞行期间，由于舵面偏转推力会产生强烈的下洗流场。这种情况对位于后面的平尾控制很不利，水平尾翼位置会出现较大的负迎角，为避免操控困难，需要在速度增加时也能调整平尾的安装角。集成 Jetfoil 的一个关键目标是避免机翼环流在控制面上的敏感性，并简化飞行控制难度。虽然飞翼可以实现这一目标，但动力增升通常会增加机头向下的俯仰力矩，而飞翼的俯仰控制并不优秀。回顾航空历史，一个由飞翼衍生的概念在避免机翼下洗尾部敏感性方面特别成功：Blohm + Voss公司的外置水平尾翼 (OHT) 布局。

 

 

 

图↑ 二战期间Blohm + Voss公司的OHT布局飞机

 

OHT布局将水平尾翼向后推，并通过翼尖撑杆连接到机翼，在机翼和尾翼之间增加了一些距离，使得尾力臂加大。它可以被认为是一个飞翼，其尖端向后平移以实现更好的俯仰控制和阻尼，具有与飞翼相似的空气动力学效率。这种布局的一个关键优点（和缺点）是平尾不再位于机翼下洗流场中，而是位于翼尖涡流上洗流场中。由于尾部处于恒定的上升流中，尾部提供向前的推力和升力，OHT布局机翼和平尾均可产生巡航升力，而传统的尾部提供阻力和下压力。Blohm+Voss公司开发这种布局的目的是与传统或飞翼飞机相比，实现最小的整机浸润面积。OHT 概念的主要缺点是尾部载荷传递到机翼的翼尖，需要采用更强的抗扭翼盒设计，撑杆的高度也需要足够大，提供对尾部的支撑刚度。

 

采用OHT设计的 Scaled Composite SpaceShipOne（太空船一号）尽管尾部的控制系统连接比传统飞机的连接更复杂，实际飞行情况表明这类飞机即使没有电传飞控也好操纵。

 

 

图↑ 太空船一号

 

Jetfoil-OHT 综合设计的优势小结：避免水平尾翼上的强烈下洗，并实现双升力面；只要有吹气功率可用，机翼就不会失速；加大了机翼前部高度，增强机翼的抗扭刚度；翼尖撑杆内可布置电池，减小尾翼颤振问题，并减缓机翼弯曲情况。

 

 

 

4.小型无人机的验证飞行

 

为了获得更多OHT概念的经验并研究其稳定性和控制特性，Whisper Aero 建立了验证机，采用单个eQ160（160mm直径的涵道风扇）推进器，翼展3.66m，最大起飞重量25kg。通过飞行声学测试验证，在 30-60m高度，噪声就已经低于环境水平，不能被地面人员发现。 这开辟了一个新的军事侦察应用方向。

 

 

 

 

图↑ 试飞的小型无人机

 

 

 

5.超静音的Whisper Jet概念方案

 

基于前述的各种设计理念，推出了Whisper Jet超静音常规起降通航飞机的设计概念，Whisper Aero分享这一概念的目的是与一家已经拥有认证、生产、销售和服务组织的成熟飞机开发商合作，而不是将这些具有挑战性的能力建立在资本密集型初创企业中。

 

该概念为10 座（1飞行员+9乘客），具备一流的安全性、性能、社区认可度、乘坐品质，具备低廉的直接运营成本（跟汽车接近）。机翼靠前布置，机翼前方集成Jetfoil，低噪音，可以使用小面积机翼，实现更高巡航效率和更高巡航速度，全机的最大升阻比可达到20，在以最大速度463km/h巡航时升阻比为15。采用OHT尾翼，机翼和尾翼均产生巡航升力，尾翼的操控性能更好。

 

 

图↑ Whisper Jet的三面图

 

（1）飞行性能

 

● 有效载荷：1090kg，10 个座位（1 名飞行员 + 9 名乘客）

 

● 航程（最低成本）：仅使用电池，最佳航程速度下可飞行320km，最大速度下可飞行240km

 

● 航程（最大）：使用混合动力，航程扩展至 800km

 

● 速度：最大速度463km/h，无需座舱增压。最佳航程速度为324km/h

 

（2）高效飞行

 

● 空气动力效率：通过高机翼载荷和最小化润湿面积，实现最佳航程 L/D 为 20、最大速度巡航 L/D 为15

 

● 推进效率：高速巡航时为 75%，可变面积喷嘴可实现高效的低速飞行

 

● 高升力系统： CLmax>6.25，无襟翼系统，简化结构，低俯仰力矩，减小水平尾翼尺寸

 

（3）经济性

 

● 总运营成本<$0.50/乘客英里，票价<$0.63/乘客英里

 

● 按2028年美元计算，飞机采购价格<300万美元

 

● 能源成本降低超过 3 倍，包括电池摊销

 

● 维护成本降低>3 倍

 

● 利用率：基线为 1200小时/年，白天客运/夜间货运最多可达2400小时/年

 

（4）机场适用性

● 起飞、着陆、飞越或边线时，从150m高度起，社区噪音水平 <50 dB

 

● 场地长度：<914m的平衡场地长度可利用美国 5000 多个小型机场。

 

● 总重 <5675kg，可利用非第 139 部分认证的机场（约占美国小型机场的 90%），同时避免 TSA 规则 1540 和 1544 的要求

 

● 采用可收放起落架

 

（5）适航认证

● 第23部Level 3认证

 

● 单个500 小时（对于VFR 航班）或1200小时（对于 IFR 航班）飞行员适用于第135部分操作

 

● 多引擎安全，能够在一台引擎不工作（OEI）的情况下保持 ROC 和高速

 

● 无需使用电传操纵 (FBW) 控制系统，从而缩短认证时间并降低成本

 

● 足够高的冗余度以避免OEI期间的多引擎训练

 

（6）用户体验

● 机翼载荷：>60 lb/ft² （293kg/㎡），提高空气动力学效率和乘坐质量

 

● 四排座椅，配有可折叠座椅，可在各排之间存放行李

 

● 机翼靠前布置、后掠，避免机翼和门干扰，使乘客方便进出

 

● 客运和货运转换时间<15分钟

 

● 客运配置 (5) 90% 男性座位，以及 (5) 50% 男性座位

 

● 货运配置 (2) 个4’x4’x3’ 货箱和 (1) 个 4’x3’x1’ 货箱

 

● 乘客窗视野开阔，机舱内噪音水平<45 dB

 

 

更多关于Whisper Jet的信息可参见其专门论文，谢谢！