NASA針對(duì)清潔交通的倡議，啟動(dòng)了一項(xiàng)新的技術(shù)計(jì)劃，目標(biāo)是未來(lái)可能對(duì)環(huán)境造成零影響的客機(jī)，作為成果的。

針對(duì)全球清潔交通的倡議，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)啟動(dòng)研發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，目標(biāo)讓未來(lái)客機(jī)對(duì)環(huán)境造成的影響盡可能降低為零。該計(jì)劃目前處于成型階段，概念研究瞄準(zhǔn)2040 年起投入使用（下文簡(jiǎn)稱2040+)，近期目標(biāo)是在十年內(nèi)提出超高效X飛機(jī)可持續(xù)客機(jī)技術(shù)演示驗(yàn)證的建議。

隨著NASA加快推進(jìn)新推進(jìn)系統(tǒng)和超聲速技術(shù)的飛行測(cè)試，2040+概念研究和“可持續(xù)飛行演示（SFD）”驗(yàn)證已開始推進(jìn)，更多的未來(lái)技術(shù)研究正在進(jìn)行。這些技術(shù)最早是由 NASA、波音和其他公司在“N+3”的高級(jí)概念研究中提出并評(píng)估的，其中包括多功能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和電氣化飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，以及新的機(jī)身外形，如波音的“跨聲速桁架支撐機(jī)翼”(TTBW）概念。

波音提出的“跨聲速桁架支撐機(jī)翼”(TTBW）概念，計(jì)劃于 2026 年飛行。

1、2040+概念

為了同時(shí)滿足日益增長(zhǎng)的航空運(yùn)輸需求和綠色環(huán)保要求，美國(guó)著手未來(lái)先進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展，并將其分為“N+1”、“N+2”和“N+3”三個(gè)階段，其中“N”是2008年進(jìn)入服役、以波音787為代表的飛機(jī)。N+概念幫助識(shí)別并推動(dòng)了針對(duì)噪聲、排放和燃料燃燒的多個(gè)創(chuàng)新，并利用了NASA在2005—2020 年期間亞聲速固定翼（SFW）項(xiàng)目上的成果。SFW 項(xiàng)目如今被稱為“高級(jí)航空運(yùn)輸技術(shù)”(AATT）項(xiàng)目，從環(huán)境友好航空 (ERA）項(xiàng)目衍生而來(lái)，開始于 2010年。

“N＋4”計(jì)劃的一個(gè)構(gòu)想產(chǎn)物。

2、什么是TTBW？

隨著NASA加快推進(jìn)新推進(jìn)系統(tǒng)和超聲速技術(shù)的飛行測(cè)試，2040+概念研究和“可持續(xù)飛行演示”驗(yàn)證已開始推進(jìn)，更多的未來(lái)技術(shù)研究正在進(jìn)行。這些技術(shù)最早是由 NASA、波音和其他公司在“N+3”的高級(jí)概念研究中提出并評(píng)估的，其中包括多功能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和電氣化飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，以及新的機(jī)身外形，如波音的“跨聲速桁架支撐機(jī)翼”(TTBW）概念。波音已經(jīng)對(duì)TTBW 布局了進(jìn)行詳細(xì)研究的計(jì)劃，但仍表示驗(yàn)證機(jī)的最終布局將參考來(lái)自工業(yè)界的建議。

3、由桁架支撐到跨聲速桁架支撐

在“亞聲速超綠色飛機(jī)研究”項(xiàng)目下，波音最初設(shè)計(jì)的創(chuàng)新布局僅為“桁架支撐機(jī)翼（TBW）”，但后來(lái)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該布局在較高飛行速度中的優(yōu)異性能，因此增加了“跨聲速”的描述，這也是為了同采用低速、支撐桿布局的小型通用飛機(jī)區(qū)別開來(lái)。

同傳統(tǒng)的懸臂梁式機(jī)翼相比，桁架支撐機(jī)翼由于桁架承擔(dān)了部分載荷，減輕了翼根彎矩，理論上可以更輕；如果在同等重量下，則機(jī)翼可以造得更大。機(jī)翼越大，升阻比越大、誘導(dǎo)阻力越小。此外，桁架的支撐使得機(jī)翼翼型可以做的更薄，顯著降低跨聲速飛行中的波阻，而薄翼型對(duì)于實(shí)現(xiàn)自然層流也更為有利。

前期，波音和NASA已經(jīng)共同開展了三個(gè)階段的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，分別是2010年的第一階段試驗(yàn)、2014-2015年的第二階段試驗(yàn)以及2016年初完成的第三階段試驗(yàn)。

1、第一階段的研究表明，相比傳統(tǒng)懸臂式機(jī)翼布局，TBW能夠降低5%～10%的燃油消耗。但是，為了確保大展弦比細(xì)長(zhǎng)機(jī)翼不致發(fā)生顫振而付出的重量代價(jià)，在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)還具有很大的不確定性。

2、第二階段，波音與弗吉尼亞理工學(xué)院和佐治亞理工學(xué)院合作開發(fā)了TBW布局的有限元模型，并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試一個(gè)動(dòng)態(tài)相似的TBW模型來(lái)完善和驗(yàn)證有限元模型，進(jìn)而獲得對(duì)結(jié)構(gòu)重量的精確評(píng)估。第二階段的試驗(yàn)在NASA蘭利研究中心的跨聲速風(fēng)洞中進(jìn)行（測(cè)試風(fēng)速在Ma0.7左右），采用15%縮比的半翼展模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然TBW布局內(nèi)翼的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)機(jī)翼，但是為避免顫振發(fā)生而只需付出較小的代價(jià)。TBW布局是可行的。

3、第三階段，波音在2015—2016年繼續(xù)開展試驗(yàn)，以進(jìn)一步了解TBW的高速氣動(dòng)性能和桁架與機(jī)翼的干擾影響。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?.5%縮比模型、機(jī)翼平均后掠角12.5°、翼展2.35m的模型，換算到全尺寸相當(dāng)于翼展52m，而安裝了翼梢小翼的波音737-800翼展僅為36m。試驗(yàn)測(cè)試了較寬的風(fēng)速范圍，從最小的Ma0.5到最大Ma0.795、再到俯沖Ma0.865。

在試驗(yàn)中，研究人員測(cè)試了兩種不同的桁架支撐結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)和機(jī)翼的連接位置完全一致，都由一個(gè)主翼柱和一個(gè)輔助翼柱組成。兩個(gè)主翼柱分別被稱為“基線翼柱”和“備選翼柱”?；€翼柱采用和機(jī)翼下表面直接呈銳角相連，而備選翼柱同機(jī)翼下表面的連接采用直角形式，類似于短艙掛架同機(jī)翼的連接方式。兩種支撐柱的試驗(yàn)結(jié)果差別很小。備選翼柱的阻力稍大，而操縱性可能更好。基線翼柱的方案由于氣彈和剛度特性更好，目前更受青睞。

在試驗(yàn)的飛行包線內(nèi)并沒(méi)有測(cè)得抖振現(xiàn)象，而根據(jù)懸臂梁經(jīng)驗(yàn)理論預(yù)測(cè)，抖振會(huì)在俯沖馬赫數(shù)和特定升力系數(shù)下發(fā)生。

在NASA埃姆斯研究中心完成的第三階段TBW跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中研究了兩種不同的桁架支撐結(jié)構(gòu)，一種是基線翼柱（安裝在風(fēng)洞中）；另一種是備選翼柱（右下角小圖里的綠色翼柱）

4、新一代TTBW機(jī)翼

2019年初，波音公布了最新一代TTBW。相比最初的TTBW布局采用無(wú)后掠機(jī)翼、以Ma0.75的省油速度巡航，新布局采用約20°后掠角的機(jī)翼，這使得巡航速度可以提高到Ma0.8（目前比較典型的噴氣式客機(jī)巡航速度）。

波音TTBW項(xiàng)目經(jīng)理尼爾·哈里森表示：“在之前的設(shè)計(jì)中，機(jī)翼和桁架的位置有些重疊的部分。然而，由于更高馬赫數(shù)的布局變化，機(jī)翼已經(jīng)向前移動(dòng)。當(dāng)我們把這兩個(gè)分開時(shí)，能夠從空氣動(dòng)力學(xué)的角度比以前更多地利用桁架?！?/p>

新設(shè)計(jì)增加了后掠角并修改了機(jī)翼的厚度。為了重新平衡飛機(jī)的重心，機(jī)翼根部也向前移動(dòng)，翼柱根部向后移動(dòng)。重新設(shè)計(jì)的桁架結(jié)構(gòu)增加了翼柱與機(jī)身連接處的弦長(zhǎng)，翼柱后緣前掠，弦長(zhǎng)自根部向連接處逐漸減小。

波音重新設(shè)計(jì)后增加了后掠角，并修改了機(jī)翼的厚度。為了重新平衡飛機(jī)的重心，機(jī)翼根部也向前移動(dòng)，桁架結(jié)構(gòu)也隨之進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。其中，主翼柱的根部向后移動(dòng)，增加了與機(jī)身連接處的弦長(zhǎng)，后緣前掠，弦長(zhǎng)向桁架與上機(jī)翼的連接處逐漸減??；輔助翼柱的位置向外翼方向移動(dòng)。

哈里森表示：“桁架現(xiàn)在可以產(chǎn)生升力。在上一代翼柱支撐布局飛機(jī)上，翼柱會(huì)將載荷傳遞到機(jī)翼下表面（不利于結(jié)構(gòu)減重）?，F(xiàn)在通過(guò)解耦，我們可以進(jìn)行氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)性能的最大化。”機(jī)翼和翼柱的這種“解耦”減少了兩個(gè)表面之間的空氣動(dòng)力學(xué)相互作用，并產(chǎn)生了一些額外的好處，包括改進(jìn)了橫截面積分布，降低了可壓縮性阻力。

輔助翼柱的外移使得主翼柱的最外層部分在機(jī)翼附著點(diǎn)處變薄，減少了跨音速干擾阻力，提高了內(nèi)側(cè)強(qiáng)度，從而提高了翼柱產(chǎn)生的升力。此外，機(jī)翼還充當(dāng)了流向整流器，避免高升力時(shí)在翼柱內(nèi)側(cè)進(jìn)行失速保護(hù)。機(jī)翼和翼柱連接點(diǎn)的流動(dòng)分離增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

將翼柱從機(jī)翼下方移出，使其能夠承載升力，并有助于提高飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

5、未來(lái)發(fā)展

從2019年7月到2022年初，波音對(duì)Ma0.8的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了一系列關(guān)鍵測(cè)試。首先是2019年在NASA艾姆斯研究中心進(jìn)行了高速風(fēng)洞抖振測(cè)試，隨后在NASA蘭利研究中心4.27×6.71m亞音速風(fēng)洞中進(jìn)行了低速測(cè)試，以研究增升裝置并了解抖振特征。

了解抖振特征對(duì)于確保飛機(jī)具有足夠的性能，以避免其達(dá)到氣動(dòng)升限來(lái)說(shuō)非常重要。進(jìn)入噴氣式飛機(jī)時(shí)代后，高速抖振一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，也是波音特別關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)槠湫碌母咚偕逃脵C(jī)型達(dá)到了以前未探索過(guò)的跨聲速飛行包線邊緣。1956年，時(shí)任波音飛行測(cè)試主管阿爾文·特克斯·約翰斯頓表示，在Dash 80/707發(fā)展型飛機(jī)的方向舵周圍遇到了流動(dòng)分離帶來(lái)的抖振，這種分離非常猛烈，以至于使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損壞。

半翼展模型在NASA 埃姆斯研究中心3.35m跨聲速風(fēng)洞中進(jìn)行更大比例（9%）的高速抖振測(cè)試。

NASA 蘭利研究中心在2021年完成了第二輪高升力風(fēng)洞測(cè)試，評(píng)估了增升裝置在低速狀態(tài)下考慮地面效應(yīng)的性能，初步觀察了結(jié)冰對(duì)薄機(jī)翼和前緣的氣動(dòng)影響。測(cè)試已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的最大工作極限——平飛速度Ma0.85和設(shè)計(jì)俯沖速度Ma0.92，在這種情況下，飛機(jī)能夠在不遇到顫振、控制反轉(zhuǎn)或抖振的情況下進(jìn)行俯沖。

研究人員檢查機(jī)翼根部和翼柱周圍的抖振。

順利進(jìn)行的風(fēng)洞測(cè)試可能會(huì)為進(jìn)一步的測(cè)試和開發(fā)全尺寸X驗(yàn)證機(jī)掃清障礙。雖然抖振試驗(yàn)和部分低速試驗(yàn)已經(jīng)完成，波音和NASA仍然有很多需要完成的降低風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)清單。盡管2021年的高升力測(cè)試驗(yàn)證了整體設(shè)計(jì)是成功的，但研究人員希望通過(guò)此評(píng)估完成的相關(guān)高雷諾數(shù)風(fēng)洞測(cè)試工作尚未進(jìn)行。高升力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和風(fēng)洞工作是優(yōu)先完成的工作，以驗(yàn)證TTBW在高雷諾數(shù)下的跨聲速巡航性能。

未來(lái)，該項(xiàng)目需要完成的工作還有：進(jìn)一步測(cè)試詳細(xì)的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性；開發(fā)完全集成的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；深入的飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以研究例如翼梁連接位置的位置變化等。除了研究設(shè)計(jì)的各種認(rèn)證挑戰(zhàn)（包括防撞性、結(jié)冰和迫降特性）之外，還需要在聲學(xué)性能方面開展進(jìn)一步的研發(fā)工作。

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