NASA针对清洁交通的倡议，启动了一项新的技术计划，目标是未来可能对环境造成零影响的客机，作为成果的。

针对全球清洁交通的倡议，美国国家航空航天局(NASA)启动研发了一项新技术，目标让未来客机对环境造成的影响尽可能降低为零。该计划目前处于成型阶段，概念研究瞄准2040 年起投入使用（下文简称2040+)，近期目标是在十年内提出超高效X飞机可持续客机技术演示验证的建议。

随着NASA加快推进新推进系统和超声速技术的飞行测试，2040+概念研究和“可持续飞行演示（SFD）”验证已开始推进，更多的未来技术研究正在进行。这些技术最早是由 NASA、波音和其他公司在“N+3”的高级概念研究中提出并评估的，其中包括多功能轻质结构和电气化飞机推进系统，以及新的机身外形，如波音的“跨声速桁架支撑机翼”(TTBW）概念。

波音提出的“跨声速桁架支撑机翼”(TTBW）概念，计划于 2026 年飞行。

1、2040+概念

为了同时满足日益增长的航空运输需求和绿色环保要求，美国着手未来先进飞机的发展，并将其分为“N+1”、“N+2”和“N+3”三个阶段，其中“N”是2008年进入服役、以波音787为代表的飞机。N+概念帮助识别并推动了针对噪声、排放和燃料燃烧的多个创新，并利用了NASA在2005—2020 年期间亚声速固定翼（SFW）项目上的成果。SFW 项目如今被称为“高级航空运输技术”(AATT）项目，从环境友好航空 (ERA）项目衍生而来，开始于 2010年。

“N＋4”计划的一个构想产物。

2、什么是TTBW？

随着NASA加快推进新推进系统和超声速技术的飞行测试，2040+概念研究和“可持续飞行演示”验证已开始推进，更多的未来技术研究正在进行。这些技术最早是由 NASA、波音和其他公司在“N+3”的高级概念研究中提出并评估的，其中包括多功能轻质结构和电气化飞机推进系统，以及新的机身外形，如波音的“跨声速桁架支撑机翼”(TTBW）概念。波音已经对TTBW 布局了进行详细研究的计划，但仍表示验证机的最终布局将参考来自工业界的建议。

3、由桁架支撑到跨声速桁架支撑

在“亚声速超绿色飞机研究”项目下，波音最初设计的创新布局仅为“桁架支撑机翼（TBW）”，但后来经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。

前期，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。

1、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。

2、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兰利研究中心的跨声速风洞中进行（测试风速在Ma0.7左右），采用15%缩比的半翼展模型。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。

3、第三阶段，波音在2015—2016年继续开展试验，以进一步了解TBW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%缩比模型、机翼平均后掠角12.5°、翼展2.35m的模型，换算到全尺寸相当于翼展52m，而安装了翼梢小翼的波音737-800翼展仅为36m。试验测试了较宽的风速范围，从最小的Ma0.5到最大Ma0.795、再到俯冲Ma0.865。

在试验中，研究人员测试了两种不同的桁架支撑结构，两种结构和机翼的连接位置完全一致，都由一个主翼柱和一个辅助翼柱组成。两个主翼柱分别被称为“基线翼柱”和“备选翼柱”。基线翼柱采用和机翼下表面直接呈锐角相连，而备选翼柱同机翼下表面的连接采用直角形式，类似于短舱挂架同机翼的连接方式。两种支撑柱的试验结果差别很小。备选翼柱的阻力稍大，而操纵性可能更好。基线翼柱的方案由于气弹和刚度特性更好，目前更受青睐。

在试验的飞行包线内并没有测得抖振现象，而根据悬臂梁经验理论预测，抖振会在俯冲马赫数和特定升力系数下发生。

在NASA埃姆斯研究中心完成的第三阶段TBW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（安装在风洞中）；另一种是备选翼柱（右下角小图里的绿色翼柱）

4、新一代TTBW机翼

2019年初，波音公布了最新一代TTBW。相比最初的TTBW布局采用无后掠机翼、以Ma0.75的省油速度巡航，新布局采用约20°后掠角的机翼，这使得巡航速度可以提高到Ma0.8（目前比较典型的喷气式客机巡航速度）。

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部分。然而，由于更高马赫数的布局变化，机翼已经向前移动。当我们把这两个分开时，能够从空气动力学的角度比以前更多地利用桁架。”

新设计增加了后掠角并修改了机翼的厚度。为了重新平衡飞机的重心，机翼根部也向前移动，翼柱根部向后移动。重新设计的桁架结构增加了翼柱与机身连接处的弦长，翼柱后缘前掠，弦长自根部向连接处逐渐减小。

波音重新设计后增加了后掠角，并修改了机翼的厚度。为了重新平衡飞机的重心，机翼根部也向前移动，桁架结构也随之进行了重新设计。其中，主翼柱的根部向后移动，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；辅助翼柱的位置向外翼方向移动。

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。”机翼和翼柱的这种“解耦”减少了两个表面之间的空气动力学相互作用，并产生了一些额外的好处，包括改进了横截面积分布，降低了可压缩性阻力。

辅助翼柱的外移使得主翼柱的最外层部分在机翼附着点处变薄，减少了跨音速干扰阻力，提高了内侧强度，从而提高了翼柱产生的升力。此外，机翼还充当了流向整流器，避免高升力时在翼柱内侧进行失速保护。机翼和翼柱连接点的流动分离增加了结构强度。

将翼柱从机翼下方移出，使其能够承载升力，并有助于提高飞机的空气动力学性能。

5、未来发展

从2019年7月到2022年初，波音对Ma0.8的设计方案进行了一系列关键测试。首先是2019年在NASA艾姆斯研究中心进行了高速风洞抖振测试，随后在NASA兰利研究中心4.27×6.71m亚音速风洞中进行了低速测试，以研究增升装置并了解抖振特征。

了解抖振特征对于确保飞机具有足够的性能，以避免其达到气动升限来说非常重要。进入喷气式飞机时代后，高速抖振一直是飞机设计的关键因素，也是波音特别关注的焦点，因为其新的高速商用机型达到了以前未探索过的跨声速飞行包线边缘。1956年，时任波音飞行测试主管阿尔文·特克斯·约翰斯顿表示，在Dash 80/707发展型飞机的方向舵周围遇到了流动分离带来的抖振，这种分离非常猛烈，以至于使结构出现了损坏。

半翼展模型在NASA 埃姆斯研究中心3.35m跨声速风洞中进行更大比例（9%）的高速抖振测试。

NASA 兰利研究中心在2021年完成了第二轮高升力风洞测试，评估了增升装置在低速状态下考虑地面效应的性能，初步观察了结冰对薄机翼和前缘的气动影响。测试已经达到了设计的最大工作极限——平飞速度Ma0.85和设计俯冲速度Ma0.92，在这种情况下，飞机能够在不遇到颤振、控制反转或抖振的情况下进行俯冲。

研究人员检查机翼根部和翼柱周围的抖振。

顺利进行的风洞测试可能会为进一步的测试和开发全尺寸X验证机扫清障碍。虽然抖振试验和部分低速试验已经完成，波音和NASA仍然有很多需要完成的降低风险的任务清单。尽管2021年的高升力测试验证了整体设计是成功的，但研究人员希望通过此评估完成的相关高雷诺数风洞测试工作尚未进行。高升力系统设计和风洞工作是优先完成的工作，以验证TTBW在高雷诺数下的跨声速巡航性能。

未来，该项目需要完成的工作还有：进一步测试详细的气动弹性稳定性；开发完全集成的飞机结构设计；深入的飞机结构优化，以研究例如翼梁连接位置的位置变化等。除了研究设计的各种认证挑战（包括防撞性、结冰和迫降特性）之外，还需要在声学性能方面开展进一步的研发工作。

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