波音优化跨声速桁架支撑机翼布局

作为开发下一代高效单通道客机持续努力的一部分，波音近期发布了其跨声速桁架支撑翼(TTBW)概念布局的改进版本。

一、波音针对桁架支撑翼（TBW）布局已开展三个阶段研究

TTBW由波音研究与技术部（BR&T）在NASA亚声速超绿色飞机研究项目（Sugar）下提出。Sugar项目旨在识别和研究能够满足NASA的“N+3”代飞机（2030年后服役的商用飞机）要求的创新布局。

在Sugar项目下，波音最初设计的创新布局仅为“桁架支撑机翼（即TBW）”，但后来研究发现该布局在较高飞行速度中的优异性能，因此增加了“跨声速”的描述，这也是为了同采用低速、支撑杆布局的小型通用飞机区别开来。

同传统的悬臂梁式机翼相比，桁架支撑机翼由于桁架承担了部分载荷，减轻了翼根弯矩，理论上可以更轻；如果在同等重量下则机翼可以造得更大。机翼越大，升阻比越大、诱导阻力越小。此外，桁架的支撑使得机翼翼型可以做的更薄，显著降低跨声速飞行中的波阻，而薄翼型对于实现自然层流也更为有利。

然而，理论研究的结果是喜人的，但是如何将TBW的理论优势转化为实际性能改善是另一个问题，尤其是对于如此大翼展、柔性机翼的模型如何进行精确的风洞试验测试是一大挑战。波音和NASA已经共同开展了三个阶段的风洞试验研究，分别是2010年的第一阶段试验、2014-2015年的第二阶段试验以及2016年初完成的第三阶段试验。

Sugar项目第一阶段在2010年结束。第一阶段的研究表明，相比传统悬臂式机翼布局，TBW能够降低5-10%的燃油消耗。但是，为了确保大展弦比细长机翼不致发生颤振而付出的重量代价在当时来说还具有很大的不确定性。

在Sugar项目的第二阶段，波音与弗吉尼亚理工学院和佐治亚理工学院合作开发了TBW布局的有限元模型，并通过风洞试验测试一个动态相似的TBW模型来完善和验证有限元模型，进而获得对结构重量的精确评估。第二阶段的试验在NASA兰利研究中心跨声速风洞中进行（测试风速在Ma0.7左右），采用15%缩比的半翼展模型。令人惊喜的是，试验结果表明，虽然TBW布局内翼的刚度远远低于传统机翼，但是为避免颤振发生而只需付出较小的代价，TBW布局是可行的。

2015-2016年，波音继续开展了Sugar项目的第三阶段试验。此次试验的目的是进一步了解TTBW的高速气动性能和桁架与机翼的干扰影响。试验模型采用4.5%缩比、机翼平均后掠角12.5度、翼展2.35米的模型。试验测试了较宽的风速范围，从最小马赫数0.5、到最大使用马赫数0.795、再到俯冲马赫数0.865。                 

刚刚在NASA埃姆斯研究中心完成的第三阶段TTBW跨声速风洞试验中研究了两种不同的桁架支撑结构，一种是基线翼柱（上图中安装在风洞中）；另一种是备选翼柱（上图中右下角小图里的绿色翼柱）

尽管通过三个阶段的研究，TBW布局显示了其应用于未来民机的潜力，但研究人员表示还有很多领域需要探索，比如低速条件下的抖振、损伤容限和鸟撞等。

二、波音TBW布局成为NASA UEST X验证机的候选方案

2016年9月，NASA分别授予4家公司研究合同，要求提出其各自建议的超高效亚声速运输机（UEST）大尺寸飞行验证机的系统需求。获得NASA合同的4家企业分别是极光飞行科学公司、波音公司、洛马公司和Dzyne技术公司，他们共提出了5种UEST验证机方案，分别是极光飞行科学公司的D8双气泡飞机，波音公司的翼身融合体（BWB）和桁架支撑机翼布局（TBW），洛马公司的混合翼身布局（HWB）以及Dzyne技术公司的BWB布局。

在此基础上，2017年，NASA进一步授出三份合同，要求开展BWB布局（波音牵头）、桁架支撑翼布局（波音牵头）和D8双气泡布局（极光飞行科学公司牵头）作为超高效亚声速技术X验证机（计划2020年后首飞）的风险降低研究。NASA原计划2018年晚些时候发出UEST1的征询建议书（RFP）草案，最终RFP将在2019财年发布。其目的是先选择两个概念方案进行初步设计评审，最终选择一个方案建造UEST1 X验证机。UEST1 X验证机的首飞预计将在2020年代中期，第二架UEST2 X验证机将在5年后首飞。与BWB布局和双气泡布局相比，TBW布局从“视觉上”对传统构型的颠覆程度没有那么大，技术和工程复杂度似乎也比前者更低，其必将成为NASA 第一款UEST1 X验证机的有力竞争者。

三、波音对TTBW进行了气动结构优化，提出了优化构型

2019年初，波音在圣地亚哥举行的AIAA科技大会上公布了最新一代TTBW。相比最初的TTBW布局采用无后掠机翼、以0.75马赫的省油速度巡航，新的布局采用约20度后掠角的机翼，这使得巡航速度可以提高到0.8马赫（目前比较典型的喷气式客机巡航速度）。              

波音跨声速桁架支撑机翼布局（TTBW）将在2019年经历高低速风洞试验

波音TTBW项目经理尼尔·哈里森表示：“在之前的设计中，机翼和桁架的位置有些重叠的。然而，由于更高马赫数的布局变化，机翼已经向前移动。我们学到的最重要的事情是，当我们把这两个分开时，我们能够从空气动力学的角度比以前更多地利用桁架。”

重新设计的桁架增加了与机身连接处的弦长，后缘前掠，弦长向桁架与上机翼的连接处逐渐减小。桁架和机翼连接处内侧的辅助翼柱的位置向外翼移动。哈里森表示：“桁架现在可以产生升力。在上一代翼柱支撑布局飞机上，翼柱会将载荷传递到机翼下表面（不利于结构减重）。现在通过解耦，我们可以进行气动和结构的优化，以实现性能的最大化。”                

优化的TTBW布局将机翼向前移动，使得桁架可在不增加机翼载荷的情况下产生升力

尽管增加了后掠角，机翼仍然保持着同样的窄弦长、等弦长和52米展长。机翼展弦比依然为19.6，机翼折叠的位置也保持不变，在桁架附着点外侧附近。机翼折叠设计使TTBW能够使用更小的像36米翼展737一样可以使用的那些机库门。

哈里森说:“该项目的主要焦点仍然是验证该结构的气动效率，我们即将开始风洞验证。”他补充说:“我们预计，与传统的悬臂机翼设计相比，它的燃油效率将提高8-10%，但我们仍在验证这一点。”“即将到来的风洞测试将给我们一个真实的数字。”

随着高速构型定义的完成，今年年初将开始在NASA埃姆斯11英尺跨声速风洞进行0.8马赫的高速测试。2019年晚些时候继续在NASA兰利14×22英尺的亚声速风洞进行低速测试。成功的风洞测试可能会为进一步测试和开发全尺寸X验证机扫清障碍。

四、波音研究采用混合动力的TTBW布局方案，为UEST验证机做准备

根据NASA在2017财年预算请求中提出的“新航空地平线飞行验证计划”(New Aviation Horizons flight demo initiative)中提出的UEST计划，一系列UEST验证机将从2023财年开始飞行。然而，NASA并没有得到所需的资金，现在正在考虑另一种策略来加速大型混合电推进验证机测试。

尽管波音公司已经提出了一种基于MD-80、采用传统涡扇动力的全尺寸TTBW布局UEST X验证机方案，但其动力形式可能还会变化，比如采用混合电推进系统。为此，波音公司还在NASA授予的合同下研究TTBW布局的混合动力版本。该机的动力系统基于罗·罗自由工厂的电动可变发动机(EVE)齿轮传动涡扇概念，采用串联/并联部分混合结构。EVE在三级低压压气机和驱动变距风扇的减速箱之间的轴上安装了一台1.5兆瓦的电动机/发电机。电池为电动机提供动力，使飞机滑行，并带动涡轮发动机起飞和爬升。

在起飞和爬升过程中，电池还为尾部电动机提供动力，尾部电动机驱动安装在尾部的边界层吸入风扇(BLI)，通过吸收机身上缓慢流动的低能气流，使尾流重新充满能量，减少阻力。在巡航和下降过程中，发电机驱动BLI风扇并给电池充电。

波音公司的分析表明，与常规动力TTBW布局飞机相比，采用混合电推进技术有可能使3500海里设计任务的燃料燃烧和碳排放减少4.5%，同时氮氧化物排放减少19%，机场噪音减少1%。NASA的研究得出结论，混合动力飞行验证机将是“TTBW布局X验证机概念的自然发展”。

（航空工业发展中心 王元元）