近日，波音宣布將與普惠和柯林斯宇航合作，共同開發美國航空航天局（NASA）的X-66A可持續飛行驗證機。其中，普惠和柯林斯將分別為X-66A提供GTF發動機、短艙及發動機附件。
X-66A
今年6月，波音和NASA公布了X-66A可持續飛行驗證機項目。這一項目意在「開創下一代更環保、更清潔、更安靜的窄體機新時代」。
而從目前的發展趨勢來看，X-66A所代表的技術路線，有較大可能是下一代客機突破現有常規構型、實現性能大幅提升的重要方向，值得關注。
01
現代客機構型發展的兩難困境
自波音707以來，筒狀機身、倒T字尾翼、下單翼、翼下掛發動機吊艙的客機布局已經獲得了極大的成功。
由於它能良好地兼顧各方面性能，方便地勤維護，並擁有較大的升級改進空間，在幾十年內的發展中，已經壟斷了幾乎各型客機的發展。現代主流客機幾乎是「兩桶一棍」構型的天下。
從中小型支線飛機到幹線飛機，「兩桶一棍」布局幾乎一統噴氣式飛機的天下。
構型發展的高度成熟、各家客機在總體布局上的高度同質化，不可避免會帶來兩難困境：
路線不改，遠期將被淘汰
現有常規布局客機的氣動潛力幾乎已經挖掘殆盡，即使是再出極大的力氣去優化細節，能換回的性能提升也很少。
但從政治和經濟層面來說，眼下的航空業面臨著極為激進的總體性能提升要求：諸多項目如「2050年航空發展展望」「潔凈天空」「下一代航空運輸系統」等，對於客機的油耗、氮氧化物排放以及噪聲指標提出了苛刻的要求，動輒要求下降50%、65%或90%。
這樣苛刻的要求在現有的客機構型路線下是不可能完成的。客機必須在氣動布局構型和動力系統上，都實現本質性突破進步，才有達成這些目標的可能性。
在遠期的未來，如果飛機製造商和航司依然停留在製造和運營傳統構型客機的階段，那麼勢必受到碳排放稅等政策工具的積壓。
顛覆式突破，失敗機率更大
如果僅從物理層面的運載需求來考慮，即人的生存保障以及有限尺寸貨物的運送，現有的航空技術其實已經能夠支撐突破性的性能提升——如開發類似B-2無尾飛翼布局的客機，令整個機體都成為高效的機翼。
事實上，這也正是未來客機的重要探索方向之一。高度翼身融合的外形布局，結合基於高效率混動的分布式推進動力，被公認是性能提升最大的方案。但是由於目前航空業界缺乏對飛翼布局構型客機的開發經驗，一系列問題也隨時產生：
NASA的X-48C翼身融合布局驗證機
首先就是各飛機製造商缺乏既往型號研發、運營所積累的工程數據和理論基礎，因此現階段也不存在針對性的高效分析方法、設計工具。這使得飛翼布局儘管從理論上來說有極大的性能優勢，但並不一定能在具體型號的決策和設計過程中，能有效轉變為實際性能——而由於經驗匱乏所帶來的決策和設計不確定性，新型號中預計的優勢性能反而變成實際劣勢短板的教訓並不罕見。
另一方面，現階段所有能支撐中大型客機運營的機場，從廊橋等基礎設施到各種保障車輛，都是針對筒狀機身結構設計的。
顛覆性布局的客機，一旦不能與現有機場設施良好地兼容，就將面臨運營效率、乘客滿意度的急劇下降。沒有任何一家飛機製造商或者航司有能力在短時間內改變這種局面。
要解決這些問題，都需要足夠長的時間。必須要有足夠長的時間跨度，才能讓新構型的研究深入細化、消除不確定性；才能讓全球各地的機場，在經濟性上可行的前提下，逐步向兼容全新構型客機的設施體系轉型。
基於這一背景，對於較近未來的新一代客機研發，顯然存在這麼一個問題：既要突破，又要能儘量兼容現有飛機的設計製造、運營維護體系；更小的安全風險、上更好的經濟可承受性，比極端化的性能提升更為重要。
02
桁架式結構：最佳的中庸之道？
相較於飛翼布局，新型桁架式結構的客機就要保守得多——在外形布局的基本思路上，完全可以認為它就是更換了更大更纖薄機翼的傳統構型客機。
當然發動機吊艙的位置可能會變得比較奇怪，而且目前也存在更多的不確定性。
制約傳統構型客機性能進一步發展的主要原因中，有一個關鍵環節在於；懸臂式結構的機翼已經接近工程能力上的極限了，翼展和展弦比都很難進一步再加大。如果能進一步大幅度加大翼展和展弦比，讓飛機能從更廣闊的氣流區域內榨取出更多的升力，即使是保留傳統的筒狀機身，以獲得對現有體系的最佳繼承和兼容，飛機依然還有很大的氣動性能提升餘地。
桁架加強並不是新思路，實際上是飛機設計中最早期就有的設計，特別是小型低速飛機上，非常多見。
風洞測試中的「跨聲速桁架支撐翼」模型，要滿足極端苛刻的未來客機性能需求，從干擾阻力到氣動彈性等諸多領域上，這種布局都還有大量的問題需要細化研究。
新型桁架式結構的客機布局，核心思路針對的就是這個矛盾：通過添加支撐結構，使機翼的內段形成封閉的大型承力框架——這要遠比懸臂結構強壯，進而能用纖細得多的機翼，實現遠超傳統構型的翼展和展弦比，縮小前緣後掠角度，從而大大提升飛機的整體氣動性能，尤其是巡航效率。
比如NASA和波音目前正在研究的X-66A，其機體改造自一架MD-90飛機。MD-90翼展不過32.86米，展弦比為9.62；而X-66A在更換桁架式機翼以後，翼展大幅度增加到52米，展弦比更是暴漲到19.6。
根據目前的一些公開資料，特別是NASA對於未來客機的遠景階段性規劃，桁架式客機的性能前景可以滿足其「N+3」、甚至是「N+4」階段的目標。NASA制定的「N+3」階段目標，要求在2030~2035年，實現客機噪聲降低71分貝、起降階段氮氧化物排放減少80%、油耗降低60%、實現新的起降概念。（註：「N+2」要求起降距離縮短50%）
因此，從目前的形勢來看，新型桁架式布局相較於飛翼等其他路線，在成本、風險、性能之間的平衡妥協上更好地兼顧了現有體系，或許更適合未來20~30年的較短期未來發展，值得特別關注和重點分析研究。
排版：陳奕煊
文案：候知健
編審 | 監製：武晨、王蘭
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