21世紀初民用運輸機發(fā)展趨勢

吳戈

隨著世紀的交替，民用運輸機也呈現(xiàn)出嶄新的局面。對于大型民用客機的研制仍然是波音和空客兩強為主，但在支線機的研制上，多頭爭霸的局面已經(jīng)形成。在技術(shù)上，現(xiàn)有機型日臻完美，超音速客機和超大型飛機的前景初露端倪，亞音速運輸機將有重大突破，飛機運行方式也將發(fā)生革命性變化。但是，由于這一高技術(shù)領(lǐng)域固有的高投入和高風(fēng)險，其整體發(fā)展必然是漸進式的，而不會是跳躍式的突變。

整體水平將漸進提高

對于未來的民用運輸機和航空運輸業(yè)的發(fā)展，各大飛機公司和研究機構(gòu)都在投入人力物力進行研究，其中花力氣最大的可能要數(shù)美國國家航空航天局（NASA）。近來在一些專業(yè)報刊中，經(jīng)?？煽吹竭@類研究報告和文章，其中有不少是出自于NASA的研究結(jié)果。有人認為，在未來20年內(nèi)，航空運輸業(yè)仍將向著更安全、更便宜、更利于環(huán)保、更能促進經(jīng)濟的方向發(fā)展。具體目標(biāo)NASA認為：飛行安全性提高10倍，飛行成本降低50％，海外旅行時間減少一半，大大降低飛機噪聲和廢氣排放；在新機型研制上，從概念提出到技術(shù)驗證，其周期可縮短一半……

然而在實現(xiàn)途徑上，至少21世紀初，民機的發(fā)展方向，其主題仍將是漸進發(fā)展和降低成本，而不是完全的革新和在性能上的根本突破。雖然也會出現(xiàn)一些滿足新興市場的新機型，但制造商的重點可能不是推出創(chuàng)造性的新設(shè)計，以及用更少的燃料飛得更快、更高、更遠上，而是更為重視充分挖掘現(xiàn)有機型的潛力（比如發(fā)展增程型或加長型），降低生產(chǎn)成本和飛機噪聲對環(huán)境的影響。

在民機的發(fā)展上，新的航空電子設(shè)備、結(jié)構(gòu)材料、生產(chǎn)工藝、數(shù)據(jù)通信、運營理念、環(huán)境要求和市場需求的變化等都將起到?jīng)Q定作用，但這種種因素將怎樣出現(xiàn)，怎樣產(chǎn)生影響是很難確切預(yù)測的。尤其是目前，飛機制造商的長遠計劃、市場研究和發(fā)展戰(zhàn)略，與競爭激烈的空運業(yè)本身固有的壓力與需求并不一致。因此，雖然在50年代，未來學(xué)家就預(yù)計2000年將出現(xiàn)載客千人、數(shù)小時即可完成遠距飛行的超音速航班客機。但是，2000年已經(jīng)到來，民機雖不斷發(fā)展，其外形和總體性能并未有根本性變化，真正能載客千人、可超音速飛行、能根據(jù)需要改變外形的飛機，可能還要20年才能投入使用。近期，真正的巨變將是借導(dǎo)航和通信的革命，而使飛機的運行面目一新。

另外，從目前有洲際航程的大型飛機的研制成本來看，不管是軍用運輸機還是民用運輸機都大得驚人，不得不走聯(lián)合發(fā)展和一機多用道路。如性能極為優(yōu)秀的C－17軍用運輸機，現(xiàn)在也在開拓民用市場。要想取得民用市場的份額，其成本就必須降到民用經(jīng)營者能接受的程度。美軍的C－5B和C－130即使還能服役20年，也都需要考慮改型或替代，而今后的研制生產(chǎn)費用，已不可能完全由國防預(yù)算負擔(dān)，必將采取軍民雙方合作的方式發(fā)展。

近年來，經(jīng)?？陕牭饺藗冊谡?wù)摮羲龠\輸機（SST）和超大型飛機（VLA）的話題。在這方面不光停留在口頭上，而且有行動，歐美兩大民機研制集團都已提出了自己的設(shè)想和方案。在支線客機的研制上，已經(jīng)呈現(xiàn)出群雄爭霸的局面，合作研制、共同開發(fā)已成為一種趨勢。但是，從總體上來看，民用運輸機的發(fā)展仍將是漸進式的。

亞音速運輸機將有重大突破

其實，現(xiàn)有亞音速運輸機技術(shù)遠未達到盡善盡美。波音和空客兩大民機研制生產(chǎn)集團都很清楚，只有增加研究發(fā)展投資，促進航空科研的突破，才能降低飛機采購和運營成本，贏得21世紀的民用航空市場。

在美國，這一高風(fēng)險的研究領(lǐng)域主要依靠NASA和蘭利等專業(yè)機構(gòu)。NASA多年來在超臨界翼型、翼梢小翼和槳扇發(fā)動機等方面的研究成果，為改善民機性能，提高空運安全性、可靠性、效率和速度發(fā)揮了巨大作用。從1994年開始，蘭利研究中心啟動了“先進亞音速技術(shù)”（AST）項目，原定于1999年結(jié)束。其目的是將促使這一領(lǐng)域在下個20年出現(xiàn)重大突破，從而使民用運輸機的制造和效率發(fā)生革命性的變化。更重要的是，它將促使當(dāng)前民用和軍用航空工業(yè)拋開常規(guī)思維，向飛機設(shè)計制造完全一體化的方式轉(zhuǎn)變。

按照他們的預(yù)計，今后20年，在民機研制生產(chǎn)上的技術(shù)進步，主要將集中表現(xiàn)在下面兩個領(lǐng)域：

制造成本最低化

實現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑首先是復(fù)合材料。全復(fù)合材料機翼是一個潛在的技術(shù)突破重點，對減小機體重量和復(fù)雜性有重大意義。NASA和波音公司正合作研究一種采用縫合/注入技術(shù)，用碳纖維復(fù)合材料制成的基本機翼結(jié)構(gòu)。這種縫合/注入技術(shù)用自動裝置分配的合成線，將先鋪設(shè)好的預(yù)浸漬碳纖維縫合起來，再注入樹脂。目前波音公司已試制了一個12米的半翼展翼段結(jié)構(gòu)，正在蘭利研究中心進行一系列結(jié)構(gòu)強度試驗（見下圖）。

由于擺脫了鉚接金屬構(gòu)件的舊方法，完全實現(xiàn)了制造過程自動化。預(yù)計此方法將使制造成本比鋁制全金屬機翼降低20％，機翼重量也比金屬組裝機翼減輕25％，部件數(shù)量大大減少，而且極其耐久、耐損和易修復(fù)。波音公司對其在未來運輸機上的應(yīng)用很感興趣。從目前進展看，15年內(nèi)這種全復(fù)合材料機翼就可以應(yīng)用到飛機上。這種方法還可考慮用于制造艙門、副翼等大部件，甚至用于未來超大型飛機的制造上。

美國空軍正在研究的一種先進固態(tài)碳泡沫（SCF）材料。這種新材料將在飛機的熱防護和結(jié)構(gòu)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。由于SCF材料的密度可變化，在各個方向都具有相同的特性，而不象許多常規(guī)復(fù)合材料一樣只在一個方向有相同特性，這樣就不需模具和壓力就能加工，從而大大降低制造成本。高密度狀態(tài)的SCF能用于機翼和機身等主要部件的結(jié)構(gòu)加固，其熱傳導(dǎo)性能可適應(yīng)大范圍的溫度，因而在飛機結(jié)構(gòu)上可廣泛應(yīng)用。

另外，靈巧機翼結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)也大有用武之地，美國萊特－帕特森空軍基地/研究實驗室正與國防先進研究計劃局（DARPA）和諾思羅普－格魯曼公司合作研究，他們的研究目標(biāo)是通過在機翼上使用形狀記憶合金（SMA）來改善其氣動效率?；赟MA的無鉸可扭曲性能，可利用其翼面進行控制。經(jīng)風(fēng)洞試驗表明，這種無鉸翼面具有一系列氣動優(yōu)點，如滾轉(zhuǎn)力矩提高10％至15％，機翼扭曲4度就可產(chǎn)生10％的升力增益等。盡管采用這種技術(shù)會增加重量和復(fù)雜性，但研究人員對其前景仍很樂觀，估計20年后就能用于運輸機。

在計算流體力學(xué)（CFD）方面，除降低風(fēng)洞試驗成本外，波音公司還試圖通過在虛擬設(shè)計環(huán)境中引入CFD模型，把機體設(shè)計周期從數(shù)年降到數(shù)月，但目前要精確預(yù)測高升力系統(tǒng)和機翼上復(fù)雜的流動現(xiàn)象，還需要作大量工作。如果實現(xiàn)，就能設(shè)計出更小、更輕、更高效、噪聲更低的高升力系統(tǒng)。

通過減少廢氣和降低噪聲，進一步改善民機的環(huán)保性能

在發(fā)動機的噪聲控制上，下一代運輸機必須在降噪上取得突破，才能滿足未來機場的要求。NASA的目標(biāo)是5年內(nèi)將民機的越頂噪聲降低10分貝，但重大突破可能將出現(xiàn)在下一代而不是現(xiàn)有飛機上。

關(guān)于控制發(fā)動機噪聲的研究，關(guān)鍵是低壓風(fēng)扇葉片與壓縮機定子的合理設(shè)計，以及如何降低噴管分離流的噪聲。這些方面如能得到改善，就可使飛機在起飛和爬升時的風(fēng)扇噪聲降低3分貝。NASA還在加強對作為主要噪聲源的副翼、起落架和起落架艙門等產(chǎn)生的渦進行研究。

在發(fā)動機廢氣排放方面，目標(biāo)是在10年內(nèi)使廢氣排放量減少3倍，25年內(nèi)減少5倍。NASA的研究重點在改進噴嘴和燃燒室的設(shè)計上。劉易斯研究中心對這些設(shè)計的綜合測試可望不久結(jié)束，并可能出現(xiàn)突破性進展。對于離心式噴嘴的高壓燃燒技術(shù)的試驗是很成功的，但這種技術(shù)要達到應(yīng)用的程度，可能還要15～20年。該中心還打算開展一項高效發(fā)動機技術(shù)研究計劃，可望能在二氧化碳、煙霧和未燃盡碳氫化合物等排放物不增加的情況下，氮化合物減少50％?！?/p>