NASA針對清潔交通的倡議，啟動了一項新的技術計劃，目標是未來可能對環(huán)境造成零影響的客機，作為成果的。

針對全球清潔交通的倡議，美國國家航空航天局(NASA)啟動研發(fā)了一項新技術，目標讓未來客機對環(huán)境造成的影響盡可能降低為零。該計劃目前處于成型階段，概念研究瞄準2040 年起投入使用（下文簡稱2040+)，近期目標是在十年內(nèi)提出超高效X飛機可持續(xù)客機技術演示驗證的建議。

隨著NASA加快推進新推進系統(tǒng)和超聲速技術的飛行測試，2040+概念研究和“可持續(xù)飛行演示（SFD）”驗證已開始推進，更多的未來技術研究正在進行。這些技術最早是由 NASA、波音和其他公司在“N+3”的高級概念研究中提出并評估的，其中包括多功能輕質結構和電氣化飛機推進系統(tǒng)，以及新的機身外形，如波音的“跨聲速桁架支撐機翼”(TTBW）概念。

波音提出的“跨聲速桁架支撐機翼”(TTBW）概念，計劃于 2026 年飛行。

1、2040+概念

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

“N＋4”計劃的一個構想產(chǎn)物。

2、什么是TTBW？

隨著NASA加快推進新推進系統(tǒng)和超聲速技術的飛行測試，2040+概念研究和“可持續(xù)飛行演示”驗證已開始推進，更多的未來技術研究正在進行。這些技術最早是由 NASA、波音和其他公司在“N+3”的高級概念研究中提出并評估的，其中包括多功能輕質結構和電氣化飛機推進系統(tǒng)，以及新的機身外形，如波音的“跨聲速桁架支撐機翼”(TTBW）概念。波音已經(jīng)對TTBW 布局了進行詳細研究的計劃，但仍表示驗證機的最終布局將參考來自工業(yè)界的建議。

3、由桁架支撐到跨聲速桁架支撐

在“亞聲速超綠色飛機研究”項目下，波音最初設計的創(chuàng)新布局僅為“桁架支撐機翼（TBW）”，但后來經(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區(qū)別開來。

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

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

1、第一階段的研究表明，相比傳統(tǒng)懸臂式機翼布局，TBW能夠降低5%～10%的燃油消耗。但是，為了確保大展弦比細長機翼不致發(fā)生顫振而付出的重量代價，在當時來說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院和佐治亞理工學院合作開發(fā)了TBW布局的有限元模型，并通過風洞試驗測試一個動態(tài)相似的TBW模型來完善和驗證有限元模型，進而獲得對結構重量的精確評估。第二階段的試驗在NASA蘭利研究中心的跨聲速風洞中進行（測試風速在Ma0.7左右），采用15%縮比的半翼展模型。試驗結果表明，雖然TBW布局內(nèi)翼的剛度遠遠低于傳統(tǒng)機翼，但是為避免顫振發(fā)生而只需付出較小的代價。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，以進一步了解TBW的高速氣動性能和桁架與機翼的干擾影響。試驗模型采用4.5%縮比模型、機翼平均后掠角12.5°、翼展2.35m的模型，換算到全尺寸相當于翼展52m，而安裝了翼梢小翼的波音737-800翼展僅為36m。試驗測試了較寬的風速范圍，從最小的Ma0.5到最大Ma0.795、再到俯沖Ma0.865。

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

在試驗的飛行包線內(nèi)并沒有測得抖振現(xiàn)象，而根據(jù)懸臂梁經(jīng)驗理論預測，抖振會在俯沖馬赫數(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跨聲速風洞試驗中研究了兩種不同的桁架支撐結構，一種是基線翼柱（安裝在風洞中）；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布局采用無后掠機翼、以Ma0.75的省油速度巡航，新布局采用約20°后掠角的機翼，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巡航速度）。

波音TTBW項目經(jīng)理尼爾·哈里森表示：“在之前的設計中，機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，機翼已經(jīng)向前移動。當我們把這兩個分開時，能夠從空氣動力學的角度比以前更多地利用桁架?！?/p>

新設計增加了后掠角并修改了機翼的厚度。為了重新平衡飛機的重心，機翼根部也向前移動，翼柱根部向后移動。重新設計的桁架結構增加了翼柱與機身連接處的弦長，翼柱后緣前掠，弦長自根部向連接處逐漸減小。

波音重新設計后增加了后掠角，并修改了機翼的厚度。為了重新平衡飛機的重心，機翼根部也向前移動，桁架結構也隨之進行了重新設計。其中，主翼柱的根部向后移動，增加了與機身連接處的弦長，后緣前掠，弦長向桁架與上機翼的連接處逐漸減小；輔助翼柱的位置向外翼方向移動。

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上，翼柱會將載荷傳遞到機翼下表面（不利于結構減重）?，F(xiàn)在通過解耦，我們可以進行氣動和結構的優(yōu)化，以實現(xiàn)性能的最大化?！睓C翼和翼柱的這種“解耦”減少了兩個表面之間的空氣動力學相互作用，并產(chǎn)生了一些額外的好處，包括改進了橫截面積分布，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翼附著點處變薄，減少了跨音速干擾阻力，提高了內(nèi)側強度，從而提高了翼柱產(chǎn)生的升力。此外，機翼還充當了流向整流器，避免高升力時在翼柱內(nèi)側進行失速保護。機翼和翼柱連接點的流動分離增加了結構強度。

將翼柱從機翼下方移出，使其能夠承載升力，并有助于提高飛機的空氣動力學性能。

5、未來發(fā)展

從2019年7月到2022年初，波音對Ma0.8的設計方案進行了一系列關鍵測試。首先是2019年在NASA艾姆斯研究中心進行了高速風洞抖振測試，隨后在NASA蘭利研究中心4.27×6.71m亞音速風洞中進行了低速測試，以研究增升裝置并了解抖振特征。

了解抖振特征對于確保飛機具有足夠的性能，以避免其達到氣動升限來說非常重要。進入噴氣式飛機時代后，高速抖振一直是飛機設計的關鍵因素，也是波音特別關注的焦點，因為其新的高速商用機型達到了以前未探索過的跨聲速飛行包線邊緣。1956年，時任波音飛行測試主管阿爾文·特克斯·約翰斯頓表示，在Dash 80/707發(fā)展型飛機的方向舵周圍遇到了流動分離帶來的抖振，這種分離非常猛烈，以至于使結構出現(xiàn)了損壞。

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

NASA 蘭利研究中心在2021年完成了第二輪高升力風洞測試，評估了增升裝置在低速狀態(tài)下考慮地面效應的性能，初步觀察了結冰對薄機翼和前緣的氣動影響。測試已經(jīng)達到了設計的最大工作極限——平飛速度Ma0.85和設計俯沖速度Ma0.92，在這種情況下，飛機能夠在不遇到顫振、控制反轉或抖振的情況下進行俯沖。

研究人員檢查機翼根部和翼柱周圍的抖振。

順利進行的風洞測試可能會為進一步的測試和開發(fā)全尺寸X驗證機掃清障礙。雖然抖振試驗和部分低速試驗已經(jīng)完成，波音和NASA仍然有很多需要完成的降低風險的任務清單。盡管2021年的高升力測試驗證了整體設計是成功的，但研究人員希望通過此評估完成的相關高雷諾數(shù)風洞測試工作尚未進行。高升力系統(tǒng)設計和風洞工作是優(yōu)先完成的工作，以驗證TTBW在高雷諾數(shù)下的跨聲速巡航性能。

未來，該項目需要完成的工作還有：進一步測試詳細的氣動彈性穩(wěn)定性；開發(fā)完全集成的飛機結構設計；深入的飛機結構優(yōu)化，以研究例如翼梁連接位置的位置變化等。除了研究設計的各種認證挑戰(zhàn)（包括防撞性、結冰和迫降特性）之外，還需要在聲學性能方面開展進一步的研發(fā)工作。

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