美国宇航局的奇特机翼设计或将催生出未来省油的飞机

今年 1 月，波音公司首次试飞了其新款宽体飞机。这款飞机被称为 777x，最引人注目的特点是机翼尖端可以折叠起来。这款飞机的机翼比之前版本的飞机更长，这一设计变化有助于提高飞机的整体燃油效率。同时，当飞机在地面时，机翼尖端可以折叠起来，这样它就可以挤进机场的登机口。

4 月底，波音公司进行了第二架 777x 试验飞机的飞行，飞行时间接近 3 小时。

除了机翼可以伸展很长一段距离，然后在地面时在翼尖处向上折叠之外，新型 777x 飞机（设计可搭载多达 426 名乘客）看起来与你见过的所有其他飞机基本一样。它是一个管状机翼，机翼可以垂直伸出。

但自 2008 年以来，NASA 和波音公司一直在研究一种更适合小型商用飞机的迷人机翼设计，如 737 或 A320，这些飞机最多可搭载 220 或 240 人。机翼形状看起来与您以前乘坐过的任何飞机都不同。这种新颖设计的细长机翼有望产生更少的阻力（与 777x 一样，节省燃料是关键），但机翼下方增加的桁架支撑了它们的长跨度。NASA 已经在加利福尼亚州和弗吉尼亚州的风洞中测试了不同版本的设计，最近的一次测试是去年秋天在其兰利研究中心的风洞中进行的。

他们称这种设计为跨音速桁架支撑机翼，简称 TTBW。虽然标准 737 的翼展约为 118 英尺，但这款飞机的机翼可以伸展到惊人的 170 英尺长。它们还可以在末端折叠以挤进登机口。

但你很可能能想象到这种结构可能带来的问题。“如果机翼变得更长更细，它就会变得更加灵活，”NASA 先进飞行器项目战略技术顾问理查德·瓦尔斯 (Richard Wahls) 说。没有乘客希望从窗外看到超长的机翼四处拍打和摆动。

事实上，细长机翼可能遇到的灾难性情况被称为气动弹性颤振。瓦尔斯说，如果“频率不对”，机翼或其他结构发生颤振，将导致灾难性故障。一个典型的例子是塔科马海峡大桥，它一直颤动直到 1940 年倒塌，但同样的命运也可能发生在飞机机翼上。美国宇航局艾姆斯研究中心的航空工程师凯文·詹姆斯将这种机翼可能发生的情况与大风中停车标志的颤振、弯曲或扭曲进行了比较。詹姆斯开玩笑说：“细长的机翼也会这样，那将是糟糕的一天——这对乘客来说不是一个好的体验。”

这是关于物理的

对于像 TTBW 这样的飞机，航空工程师喜欢细长机翼的设计，因为这样可以减少机翼的阻力。这种形状的机翼在翼尖产生的涡流最好是弱的，而不是强的。较弱的涡流可以减少阻力，并有望节省更多燃料。“在机翼尖端，除了空气能看到的范围之外没有其他机翼，空气非常聪明，它会简单地绕过翼尖，”詹姆斯说。“我们可以让机翼伸展得越远，我们就能更有效地产生更多的升力。”

但显然，美国国家航空航天局和未来的飞机制造商都不希望他们的长而省油的机翼也弯曲和折断。

大型桁架提供必要的支撑，为结构提供另一个与机身的连接点，并防止失控颤振。另一个问题是重量——没有桁架的细长机翼可能必须非常坚硬和沉重，以至于抵消了节省的燃油。毕竟，如果扰流板必须由实心铅制成，您不会想在您的汽车上添加扰流板。

美国宇航局的瓦尔斯表示，新的机翼配置可以节省未来 TTBW 飞机约 9% 的燃油消耗。

这种设计的另一个好处是，机翼不再安装在机身中部或底部，而是安装在机翼顶部。这样一来，任何飞机制造商都可以将更大的发动机悬挂在机翼下方——直径更大的发动机也更省油——而不用担心它们会刮到地面。

虽然波音等飞机制造商可能永远不会真正制造出具有这种设计的飞机，但瓦尔斯表示，他们希望在 2030 年代的某个时候将这项技术推向可以“合法考虑”的程度。

与此同时，谈到尽可能节省燃料和可持续的未来飞机——毕竟，飞行器效率越高，就越有可能依赖电力推进——NASA 艾姆斯研究中心的詹姆斯认为，像 TTBW 这样的飞机只是一个“垫脚石”。他说，从燃料使用的角度来看，绝对最好的设计是机身和机翼融合在一起的飞机，因此它类似于蝠鲼或 B-2 幽灵轰炸机。