作為開發(fā)下一代高效單通道客機持續(xù)努力的一部分，波音近期發(fā)布了其跨聲速桁架支撐翼(TTBW)概念布局的改進版本。

一、波音針對桁架支撐翼（TBW）布局已開展三個階段研究

TTBW由波音研究與技術部（BR&T）在NASA亞聲速超綠色飛機研究項目（Sugar）下提出。Sugar項目旨在識別和研究能夠滿足NASA的“N+3”代飛機（2030年后服役的商用飛機）要求的創(chuàng)新布局。

在Sugar項目下，波音最初設計的創(chuàng)新布局僅為“桁架支撐機翼（即TBW）”，但后來研究發(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。

然而，理論研究的結果是喜人的，但是如何將TBW的理論優(yōu)勢轉化為實際性能改善是另一個問題，尤其是對于如此大翼展、柔性機翼的模型如何進行精確的風洞試驗測試是一大挑戰(zhàn)。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。

Sugar項目第一階段在2010年結束。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。

在Sugar項目的第二階段，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。令人驚喜的是，試驗結果表明，雖然TBW布局內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。

2015-2016年，波音繼續(xù)開展了Sugar項目的第三階段試驗。此次試驗的目的是進一步了解TTBW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、機翼平均后掠角12.5度、翼展2.35米的模型。試驗測試了較寬的風速范圍，從最小馬赫數(shù)0.5、到最大使用馬赫數(shù)0.795、再到俯沖馬赫數(shù)0.865。                 

剛剛在NASA埃姆斯研究中心完成的第三階段TTBW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（上圖中安裝在風洞中）；另一種是備選翼柱（上圖中右下角小圖里的綠色翼柱）

盡管通過三個階段的研究，TBW布局顯示了其應用于未來民機的潛力，但研究人員表示還有很多領域需要探索，比如低速條件下的抖振、損傷容限和鳥撞等。

二、波音TBW布局成為NASA UEST X驗證機的候選方案

2016年9月，NASA分別授予4家公司研究合同，要求提出其各自建議的超高效亞聲速運輸機（UEST）大尺寸飛行驗證機的系統(tǒng)需求。獲得NASA合同的4家企業(yè)分別是極光飛行科學公司、波音公司、洛馬公司和Dzyne技術公司，他們共提出了5種UEST驗證機方案，分別是極光飛行科學公司的D8雙氣泡飛機，波音公司的翼身融合體（BWB）和桁架支撐機翼布局（TBW），洛馬公司的混合翼身布局（HWB）以及Dzyne技術公司的BWB布局。

在此基礎上，2017年，NASA進一步授出三份合同，要求開展BWB布局（波音牽頭）、桁架支撐翼布局（波音牽頭）和D8雙氣泡布局（極光飛行科學公司牽頭）作為超高效亞聲速技術X驗證機（計劃2020年后首飛）的風險降低研究。NASA原計劃2018年晚些時候發(fā)出UEST1的征詢建議書（RFP）草案，最終RFP將在2019財年發(fā)布。其目的是先選擇兩個概念方案進行初步設計評審，最終選擇一個方案建造UEST1 X驗證機。UEST1 X驗證機的首飛預計將在2020年代中期，第二架UEST2 X驗證機將在5年后首飛。與BWB布局和雙氣泡布局相比，TBW布局從“視覺上”對傳統(tǒng)構型的顛覆程度沒有那么大，技術和工程復雜度似乎也比前者更低，其必將成為NASA 第一款UEST1 X驗證機的有力競爭者。

三、波音對TTBW進行了氣動結構優(yōu)化，提出了優(yōu)化構型

2019年初，波音在圣地亞哥舉行的AIAA科技大會上公布了最新一代TTBW。相比最初的TTBW布局采用無后掠機翼、以0.75馬赫的省油速度巡航，新的布局采用約20度后掠角的機翼，這使得巡航速度可以提高到0.8馬赫（目前比較典型的噴氣式客機巡航速度）。              

波音跨聲速桁架支撐機翼布局（TTBW）將在2019年經(jīng)歷高低速風洞試驗

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。然而，由于更高馬赫數(shù)的布局變化，機翼已經(jīng)向前移動。我們學到的最重要的事情是，當我們把這兩個分開時，我們能夠從空氣動力學的角度比以前更多地利用桁架。”

重新設計的桁架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。桁架和機翼連接處內側的輔助翼柱的位置向外翼移動。哈里森表示：“桁架現(xiàn)在可以產生升力。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?！?nbsp;               

優(yōu)化的TTBW布局將機翼向前移動，使得桁架可在不增加機翼載荷的情況下產生升力

盡管增加了后掠角，機翼仍然保持著同樣的窄弦長、等弦長和52米展長。機翼展弦比依然為19.6，機翼折疊的位置也保持不變，在桁架附著點外側附近。機翼折疊設計使TTBW能夠使用更小的像36米翼展737一樣可以使用的那些機庫門。

哈里森說:“該項目的主要焦點仍然是驗證該結構的氣動效率，我們即將開始風洞驗證?！彼a充說:“我們預計，與傳統(tǒng)的懸臂機翼設計相比，它的燃油效率將提高8-10%，但我們仍在驗證這一點?！薄凹磳⒌絹淼娘L洞測試將給我們一個真實的數(shù)字。”

隨著高速構型定義的完成，今年年初將開始在NASA埃姆斯11英尺跨聲速風洞進行0.8馬赫的高速測試。2019年晚些時候繼續(xù)在NASA蘭利14×22英尺的亞聲速風洞進行低速測試。成功的風洞測試可能會為進一步測試和開發(fā)全尺寸X驗證機掃清障礙。

四、波音研究采用混合動力的TTBW布局方案，為UEST驗證機做準備

根據(jù)NASA在2017財年預算請求中提出的“新航空地平線飛行驗證計劃”(New Aviation Horizons flight demo initiative)中提出的UEST計劃，一系列UEST驗證機將從2023財年開始飛行。然而，NASA并沒有得到所需的資金，現(xiàn)在正在考慮另一種策略來加速大型混合電推進驗證機測試。

盡管波音公司已經(jīng)提出了一種基于MD-80、采用傳統(tǒng)渦扇動力的全尺寸TTBW布局UEST X驗證機方案，但其動力形式可能還會變化，比如采用混合電推進系統(tǒng)。為此，波音公司還在NASA授予的合同下研究TTBW布局的混合動力版本。該機的動力系統(tǒng)基于羅·羅自由工廠的電動可變發(fā)動機(EVE)齒輪傳動渦扇概念，采用串聯(lián)/并聯(lián)部分混合結構。EVE在三級低壓壓氣機和驅動變距風扇的減速箱之間的軸上安裝了一臺1.5兆瓦的電動機/發(fā)電機。電池為電動機提供動力，使飛機滑行，并帶動渦輪發(fā)動機起飛和爬升。

在起飛和爬升過程中，電池還為尾部電動機提供動力，尾部電動機驅動安裝在尾部的邊界層吸入風扇(BLI)，通過吸收機身上緩慢流動的低能氣流，使尾流重新充滿能量，減少阻力。在巡航和下降過程中，發(fā)電機驅動BLI風扇并給電池充電。

波音公司的分析表明，與常規(guī)動力TTBW布局飛機相比，采用混合電推進技術有可能使3500海里設計任務的燃料燃燒和碳排放減少4.5%，同時氮氧化物排放減少19%，機場噪音減少1%。NASA的研究得出結論，混合動力飛行驗證機將是“TTBW布局X驗證機概念的自然發(fā)展”。

（航空工業(yè)發(fā)展中心 王元元）