颤振约束对支撑翼布局机翼结构质量的影响

邢 宇¹，余雄庆²，李文强¹，涂建秋¹

(1. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

(2. 南京航空航天大学航空学院，江苏 南京 210016)

作者简介：邢宇(1988—)，男，工程师，博士，主要研究方向为飞行器总体设计与多学科设计优化，xingyuaircraft@163.com.

摘要：支撑翼布局飞机的机翼展弦比较大，在机翼结构质量估算中应考虑颤振约束的影响。以单通道支撑翼布局客机为研究对象，基于结构有限元模型，应用结构优化方法，对比分析了不考虑颤振约束和考虑颤振约束对支撑翼布局机翼结构质量的影响。分析结果表明，考虑颤振约束后，主机翼的蒙皮厚度明显增加，整个机翼的质量增加了12.5%，颤振约束是影响支撑翼布局机翼质量的重要因素。

关键词：客机；支撑翼布局；结构质量；颤振

中图分类号：V221+.3     文献标识码：A     文章编号：2095-509X(2021)06-0047-04

自波音707问世的半个世纪以来，商用飞机外形没有发生根本性的变化（筒状机身+机翼）。随着民用客机对经济性、排放和环保性的要求越来越高，现有布局已经很难满足这些要求。美国国家航空航天局（NASA）要求，2030年—2035年间投入运行的客机油耗在现有的波音737系列客机油耗的基础上至少再降低70%。为满足NASA的要求，许多研发团队提出了各自的未来客机方案，统称为“N+3”飞机方案。为竞标此项目，波音公司开展了亚音速超环保飞机研究计划（subsonic ultra green aircraft research， SUGAR）^［1-2］。波音公司在该计划中提出的一种创新性的支撑翼布局（truss-braced wing，TBW）被认为是唯一达到“N+3”要求的设计方案。支撑翼布局客机有别于现有的民航客机，其具有较大的展弦比和较小的后掠角。较大的展弦比可以减少诱导阻力，但也会导致机翼结构强度降低。波音公司为解决这一问题，在传统机翼的下方布置了特殊的桁架结构以提升整个机翼结构强度。同时因桁架结构的存在，使得主机翼相对厚度可以减少，又进一步降低了飞机的激波阻力。而较小的后掠角减少了机翼表面气流的横向扰动，使得机翼可采用层流设计，进而减少飞机摩擦阻力。3种阻力（诱导阻力、摩擦阻力、激波阻力）的相继减少，使得支撑翼布局客机具有较好的气动特性。

波音公司的第一阶段研究成果表明，相比现有的737系列客机，支撑翼布局客机能够显著降低燃油消耗^［1］。在之后的第二阶段研究进一步表明，该布局客机的颤振问题是一个不能忽略的因素^［2］。除波音公司外，部分国家的高校及科研单位也对支撑翼布局开展了研究。美国弗吉尼亚理工学院通过与波音公司合作，专门开发了针对支撑翼布局的总体分析设计软件，可在总体设计阶段对该布局进行全面分析^［3］；法国航空航天研究院专门开展了ALBATROS计划来评估支撑翼布局的气动/结构特性^［4］；德国宇航中心开展了FrEACs计划对支撑翼布局进行研究，探索此类布局用于下一代民航客机的可能性^［5］。中国商飞公司^［6-7］和第一飞机设计研究院^［8］近年来也对支撑翼布局客机的结构问题开展了一系列研究。

国内外现有的研究结果表明，虽然支撑翼布局具有良好的气动特性，但因其机翼展弦比较大，在飞行过程中容易发生颤振。颤振约束可能会导致支撑翼布局的机翼质量有较大增加^［9］，因此在支撑翼布局客机总体设计中需要分析颤振约束对支撑翼布局机翼结构质量的影响^［10］。为此，本文基于支撑翼布局机翼结构有限元模型，应用结构优化方法分析颤振约束对支撑翼布局的机翼结构质量的影响。