桁架支撑机翼布局或将在跨声速飞机上得到应用

[据美国航空周刊和空间技术网站2016年3月25日报道]为了满足更加严格的环保要求，采用非常规布局的商用飞机几乎已经成为航空界的共识。但到底哪种布局最有前景，目前并没有定论。各研究机构开展了包括翼身融合体、双气泡、分布式推进等不同的方案研究。其中，波音和NASA联合研究的“跨声速桁架支撑机翼布局（transonic truss-braced wing，缩写为TTBW）”是一种很有潜力的布局方案。该布局最近刚完成了新一轮的风洞试验，显示了良好的应用前景。
TTBW从外型上看似乎是传统的“筒状机身加机翼”布局，但是对于喷气式飞机采用如此长翼展、低阻力、桁架支撑结构的机翼确是全新的概念。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。前不久，NASA提出了新航空地平线计划，希望在2020年后开展采用这些创新布局的X系列飞机的飞行验证，其中可能就包括桁架支撑机翼。在TTBW刚刚完成的风洞试验中，它的展弦比达到了19.55，相比之下，波音787和747-8的展弦比仅分别为11和8。
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年初刚刚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、机翼平均后掠角12.5度、翼展2.35米的模型。换算到全尺寸，相当于翼展52米，而安装了翼梢小翼的波音737-800翼展仅为36米。NASA兰利研究中心航宇研究工程师格雷格•加特林表示：“基于这个尺寸和外形，我们认为TBW应该能够成为未来客机设计的备选方案之一。目前，这种布局还没有达到足够的成熟，有关桁架和机翼之间的干扰阻力和激波阻力还需要进一步研究。”
加特林说：“通过使用CFD工具，我们已经将桁架和机翼之间的干扰阻力降低到了最小。但是我们想通过更加精确的压力传感器、压敏漆等风洞测试手段验证一下我们的结果，或许还能发现CFD未曾捕捉到的流动现象。此外，我们从结构承载的角度研究了桁架与机翼梁和肋的结合位置，以实现最轻的结构设计。”
在埃姆斯进行的试验中，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，都由一个单主支柱和一个辅助支柱组成。如上图中右下角小图所示，两个主支柱分别被称为“基线支柱”和“备选支柱”。基线支柱（图中紫色）采用和机翼下表面直接锐角相连，而备选支柱（图中绿色）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。据加特林描述，为了避免激波的产生，这两种支柱都要设计为产生“小的负升力”。
波音负责Sugar项目的副首席研究员克里斯多夫▪德洛尼称，两种支撑柱的试验结果差别很小。备选支柱的阻力稍大，而操纵性可能更好。基线支柱的方案由于气弹和刚度特性更好，目前更受青睐。
在埃姆斯进行的第三阶段风洞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。目前，还不能对TBW布局下结论，因为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。
另一个需要关注的焦点是翼柱和机翼连接处的流动现象。试验中研究了不同飞行条件下的阻力增量，试验结果同CFD预测有些差距，目前正在进行详细的数据分析，以明确阻力的具体来源。分析这些数据面临的一个难点是，由于机翼很薄，机翼变形引起的阻力变化可能会影响对阻力增量的判断。为了测量机翼的变形，试验中采用两台专用相机对机翼下表面的6排白色小点进行了拍摄，以分析机翼的弯曲和扭转变形。
目前，NASA和波音正在讨论开展第四阶段的试验。德洛尼表示：“对于TBW，我们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。总之，目前的TBW构型只是一个研究构型，未来可能会完全不同。”（航空工业发展研究中心 王元元）

http://www.dsti.net/Information/News/99091[据美国航空周刊和空间技术网站2016年3月25日报道]为了满足更加严格的环保要求，采用非常规布局的商用飞机几乎已经成为航空界的共识。但到底哪种布局最有前景，目前并没有定论。各研究机构开展了包括翼身融合体、双气泡、分布式推进等不同的方案研究。其中，波音和NASA联合研究的“跨声速桁架支撑机翼布局（transonic truss-braced wing，缩写为TTBW）”是一种很有潜力的布局方案。该布局最近刚完成了新一轮的风洞试验，显示了良好的应用前景。
TTBW从外型上看似乎是传统的“筒状机身加机翼”布局，但是对于喷气式飞机采用如此长翼展、低阻力、桁架支撑结构的机翼确是全新的概念。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。前不久，NASA提出了新航空地平线计划，希望在2020年后开展采用这些创新布局的X系列飞机的飞行验证，其中可能就包括桁架支撑机翼。在TTBW刚刚完成的风洞试验中，它的展弦比达到了19.55，相比之下，波音787和747-8的展弦比仅分别为11和8。
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年初刚刚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、机翼平均后掠角12.5度、翼展2.35米的模型。换算到全尺寸，相当于翼展52米，而安装了翼梢小翼的波音737-800翼展仅为36米。NASA兰利研究中心航宇研究工程师格雷格•加特林表示：“基于这个尺寸和外形，我们认为TBW应该能够成为未来客机设计的备选方案之一。目前，这种布局还没有达到足够的成熟，有关桁架和机翼之间的干扰阻力和激波阻力还需要进一步研究。”
加特林说：“通过使用CFD工具，我们已经将桁架和机翼之间的干扰阻力降低到了最小。但是我们想通过更加精确的压力传感器、压敏漆等风洞测试手段验证一下我们的结果，或许还能发现CFD未曾捕捉到的流动现象。此外，我们从结构承载的角度研究了桁架与机翼梁和肋的结合位置，以实现最轻的结构设计。”
在埃姆斯进行的试验中，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，都由一个单主支柱和一个辅助支柱组成。如上图中右下角小图所示，两个主支柱分别被称为“基线支柱”和“备选支柱”。基线支柱（图中紫色）采用和机翼下表面直接锐角相连，而备选支柱（图中绿色）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。据加特林描述，为了避免激波的产生，这两种支柱都要设计为产生“小的负升力”。
波音负责Sugar项目的副首席研究员克里斯多夫▪德洛尼称，两种支撑柱的试验结果差别很小。备选支柱的阻力稍大，而操纵性可能更好。基线支柱的方案由于气弹和刚度特性更好，目前更受青睐。
在埃姆斯进行的第三阶段风洞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。目前，还不能对TBW布局下结论，因为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。
另一个需要关注的焦点是翼柱和机翼连接处的流动现象。试验中研究了不同飞行条件下的阻力增量，试验结果同CFD预测有些差距，目前正在进行详细的数据分析，以明确阻力的具体来源。分析这些数据面临的一个难点是，由于机翼很薄，机翼变形引起的阻力变化可能会影响对阻力增量的判断。为了测量机翼的变形，试验中采用两台专用相机对机翼下表面的6排白色小点进行了拍摄，以分析机翼的弯曲和扭转变形。
目前，NASA和波音正在讨论开展第四阶段的试验。德洛尼表示：“对于TBW，我们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。总之，目前的TBW构型只是一个研究构型，未来可能会完全不同。”（航空工业发展研究中心 王元元）

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