波音公司將打造裝備跨音速桁架式機翼的客機致力於實現30%的效率提升
在美國宇航局4.25億美元的現金注入下,波音公司將根據其跨音速桁架式機翼(TTBW)概念建造和測試一架全尺寸的客機,其使用長而薄的支柱式機翼來增加升力,減少阻力,目標是減少30%的燃料消耗。
當涉及到像航空公司那樣燃燒大量的燃料時,僅僅一位數的燃料效率調整就會帶來巨大的節省。以瑞士航空公司在其12架波音777飛機上安裝的減阻薄膜為例,它能帶來1%的效率提升,因此,僅在12架飛機上,瑞士預計每年可減少使用4800噸航空燃油,按現在的價格計算,每架飛機每年可節省近50萬美元。對於像美國航空公司這樣的運營商來說,如果效率提高1%,每年就能節省5億美元,其機隊接近1000架飛機。
因此,一架比今天最好的單通道機器效率高30%的客機可能是非常具有吸引力的項目。我們第一次看到波音公司的”桁架式機翼”設計概念是在2010年,作為其設計的”亞音速超綠色飛機研究”(SUGAR)伏特概念的一部分,也是美國國家航空航天局研究項目的一部分。
這個想法利用了更長、更細、高長寬比的機翼所帶來的更高的升力和更低的阻力,也就是你可能在無動力滑翔機上看到過的那種。例如,波音公司在2016年測試的一個概念,其機翼比可比的標準飛機寬50%左右。
然而,從結構上看,這種東西如果不進行加固就根本無法使用。因此,波音公司的設計將機翼懸掛在機身頂部,並用從飛機腹部上來的長桁架來支撐它們,精心設計的結構增加了額外的升力,以及強度和穩定性。
作為一個以大約0.70至0.75馬赫(519至556英里/小時,835至895公里/小時)巡航的亞音速概念,波音公司估計這些支撐翼客機可以比普通飛機少燃燒50%的燃料。2019年,該概念機被重新設計為在跨音速邊緣巡航,大約0.8馬赫(593英里/小時,955公里/小時)。
波音公司的新聞稿說:”當與推進系統、材料和系統結構的預期進展相結合時,與當今最高效的單通道飛機相比,採用TTBW配置的單通道飛機可以減少多達30%的燃料消耗和排放,具體取決於任務。”
在數字建模和亞規模風洞測試方面已經有很長一段時間了,但美國宇航局現在已經通過SFD空間法案協議授予波音公司4.25億美元的資金,將與來自波音公司和其他各種商業夥伴的約7.25億美元一起投入,以實際去製造這個東西,並使它得到適當的飛行測試機會。
美國國家航空航天局說,它計劃在”2020年代末”完成跨音速桁架機翼驗證機的測試,以便該項目所展示的技術和設計能夠為工業界關於下一代單通道飛機的決策提供參考,這些飛機可能在2030年代投入使用。
經過十多年的發展,桁架式機翼的概念已經在CFD中和風洞中進行了廣泛的亞規模測試。當然這也會有挑戰。首先,這些超長的機翼可能根本不適合現有的機場航站樓或機庫。波音公司沒有透露過任何關於驗證機的細節,但是在2019年的概念中,它談到了使用可折疊機翼來解決地面上的這個問題。
還有一個事實是,標準客機上巨大、厚實、低長寬比的機翼為其油箱創造了一個完美的空心空間。把燃料放在機翼外,把大量的重量放在寬闊的地方,更接近升力中心,減少機翼與機身相接處的工程應力。這在一定程度上有助於墜機時的安全,使燃燒的燃料離乘客更遠。而且,從純粹的經濟角度來看,它在機艙內騰出了空間,可以增加用來賺錢的座位。但桁架式設計使用瞭如此纖細的機翼,燃料箱可能不得不回到機身內。
另一方面,波音公司表示,高位支撐的機翼”最終可以容納先進的推進系統,這些系統在今天的低翼飛機配置中受到翼下空間不足的限制”–儘管這架演示機不會直接測試任何花哨的新發動機。