中歐未來民用航空科技合作方向分析

王元元 李慧熹

摘要：中歐航空科技合作是中歐科技合作的典范，對推動雙方航空科技進步、加深航空界了解和互信發(fā)揮了積極作用。為深化合作并銜接雙方新一輪的科技規(guī)劃，中歐加強戰(zhàn)略對話，達成“安全航空、綠色航空、智慧航空”的共同發(fā)展愿景，論證提出面向未來的18個合作主題。本文對中歐航空科技合作背景進行介紹，概述此次聯(lián)合論證的方法和過程，重點對每個合作方向的必要性和主要研究內(nèi)容進行分析，為中方相關專業(yè)人員參與對歐合作提供參考。

關鍵詞：民用航空；科技合作；飛行器技術；推進技術；機載系統(tǒng)；綠色航空材料和結(jié)構(gòu)；空中交通管理；航空安全

中圖分類號：V271.1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.003

中歐雙方經(jīng)過近20年的合作逐漸形成了穩(wěn)定的航空科技合作機制，開展多個研究項目并取得豐碩成果。在21世紀進入第三個10年之時，為共同應對民用航空業(yè)的新挑戰(zhàn)，雙方進一步加強戰(zhàn)略合作，“自頂向下”系統(tǒng)論證提出未來飛行器、未來推進技術、先進機載系統(tǒng)、綠色航空材料、結(jié)構(gòu)與制造技術、空中交通管理、飛行器安全/安保性提升和運營支持6大領域的18個合作主題。本文將介紹此次論證的思路和過程，分析合作方向的必要性和主要內(nèi)容，為后續(xù)推動中方更多優(yōu)勢團隊開展對歐合作奠定基礎。

1民用航空未來挑戰(zhàn)

業(yè)界普遍認為，未來20年，世界航空客運周轉(zhuǎn)量將以GDP增速的近兩倍持續(xù)增長[1]，全球航空業(yè)面臨安全壓力陡增、環(huán)保標準提高、乘客要求攀升等技術和管理全方位的挑戰(zhàn)。亞太地區(qū)，尤其是中國，將是未來最具增長潛力的民用航空市場，國際航空運輸協(xié)會（IATA）預測中國2022年將超過美國成為全球最大航空市場[2]；歐盟近年來不斷加強各方優(yōu)勢資源的聚合提升，積極推進歐洲一體化和單一天空計劃，預計其飛行總量將在2050年達到2500萬架次，為2017年的近三倍[3]。中歐雙方在解決空地擁堵問題、保持高水平航空標準、積極推進創(chuàng)新和數(shù)字化戰(zhàn)略投資等方面具有一致訴求[4]。

2中歐航空科技合作背景

從2002年開始，中歐就航空科技的政府間合作進行正式接觸和洽談，逐漸發(fā)展形成“共同論證、共同選題、共同發(fā)布、共同申報、共同評審、同步立項、對等資助、共同管理、共同驗收、成果共享”的科技合作實踐模式。雙方“自下而上”提出了一些實質(zhì)性合作項目，加深了相互了解，促進了技術和管理水平的共同進步，為開展進一步的深化合作奠定了堅實基礎。一是推動了雙方的技術進步，部分成果已經(jīng)開始轉(zhuǎn)化應用。例如，航空用大型鈦合金結(jié)構(gòu)件精鑄技術研究（COLTS）項目，中歐雙方共有15個單位參加研究，雙方牽頭單位分別是北京航空材料研究院和英國伯明翰大學。項目突破了大型鈦合金鑄件整體成形、冶金質(zhì)量和尺寸控制等關鍵技術，目前已成功應用至LEAP1-C航空發(fā)動機中介機匣和A320neo飛機的發(fā)動機吊掛肋板。二是搭建了雙方航空業(yè)人員深入溝通交流的舞臺，促成了更多的民間航空科技合作。雙方科研人員形成了相對固定的每8個月一次的會議交流機制，這不僅有助于項目順利實施，同時也加深了雙方的了解和互信，促成了非政府的更多合作。三是中方學習借鑒了歐盟先進項目管理經(jīng)驗，為提高我國民用航空科研管理水平起到了積極的促進作用。中歐航空科技合作項目隸屬于歐盟框架計劃，框架計劃從項目指南、立項、實施、驗收都有著非常嚴謹、科學的流程，中方在合作過程中吸收了非常多的有益經(jīng)驗并成功應用于科研管理實踐[5-6]。

3未來合作方向論證方法和過程

為了進一步提高合作層次和水平，中歐雙方一致認為應該面向未來長遠發(fā)展，開展航空發(fā)展戰(zhàn)略層面對接，從戰(zhàn)略高度“自頂向下”科學、系統(tǒng)論證合作方向，而不再局限于此前“自下而上”提出零散項目的論證方式。此外，歐盟地平線2020計劃即將結(jié)束，中方也即將啟動“十四五”規(guī)劃，因此中歐雙方?jīng)Q定開展新一輪的航空科技合作戰(zhàn)略研究，提出2021—2027年（與歐盟即將啟動的地平線歐洲計劃銜接）合作方向，并積極爭取列入政府預算。

中歐雙方圍繞先進飛行器，推進系統(tǒng)，機載系統(tǒng)，綠色航空結(jié)構(gòu)和材料，空中交通管理，安全、安保和運營6個領域組建了覆蓋面廣的高水平專家團隊，成員來自飛機、發(fā)動機、機載制造商，航空科研機構(gòu)，高等院校，中小企業(yè)及產(chǎn)業(yè)協(xié)會，行業(yè)管理機構(gòu)等。歐方專家來自英國BAE系統(tǒng)公司、羅羅公司、霍尼韋爾英國公司，西班牙國際工程數(shù)值方法研究中心（CIMNE），法國泰雷茲集團、航空谷產(chǎn)業(yè)集群、Edyn咨詢公司，德國航空航天研究中心，法國航空航天研究中心，歐洲航空科學研究網(wǎng)絡，歐控組織等。中方專家來自中國航空研究院（CAE）、中國航空工業(yè)集團有限公司、中國商飛公司、中國航發(fā)集團、清華大學、北航等。中歐專家團隊分別由CAE和英國BAE系統(tǒng)公司牽頭協(xié)調(diào)。

雙方論證的思路是：專家首先針對各自的戰(zhàn)略規(guī)劃，明確面臨的挑戰(zhàn)，尋找戰(zhàn)略契合點，如歐盟《航空2050展望》中提出的五大挑戰(zhàn)“滿足社會與市場需求，保持并提升行業(yè)領導地位，保護環(huán)境和能源供應，確保運行安全、提高安保能力，優(yōu)先重視研究、試驗能力與教育”[7]；其次，雙方專家基于挑戰(zhàn)確定了未來發(fā)展的共同愿景，即“安全航空、綠色航空、智慧航空”；在此基礎上設想未來航空業(yè)可能的運營場景，包括新的運輸模式、新產(chǎn)品、新服務等（見圖1），進而分解出可能的關鍵技術；再進一步根據(jù)“公眾關切、技術可行、互有意愿”等原則篩選出2021—2027年間可能的合作主題。對于每個主題，雙方專家從必要性、研究范圍、與雙方戰(zhàn)略的契合度、技術成熟度要求、將來可能的應用、需要的資金規(guī)模、雙方合作的可能性等方面進行了全面分析和論述。

目前，經(jīng)過三次中歐專家組全體會議形成了18個合作主題（每個領域三個），雙方正在根據(jù)征集的意見情況進行完善，并將于2020年3月形成最終版，分別提交歐盟議會和中國政府審閱，論證過程如圖2所示。圖3展示了中歐專家第二次柏林戰(zhàn)略對話會議情況。

4未來合作方向分析

中歐雙方擬定的18個合作主題，覆蓋了從飛行器平臺、動力、系統(tǒng)、材料到運營、空管、安全監(jiān)管等民用航空的方方面面，很大程度上體現(xiàn)了民用航空科技的發(fā)展趨勢和方向[8-9]。下面對合作主題的必要性和主要內(nèi)容進行分析。

4.1飛行器領域

（1）基于湍流邊界層和流動分離控制的減阻降噪若干關鍵技術

減阻和降噪是大型民機設計的長期目標。中歐已成功合作三個相關項目，對一批先進流動控制器件（包括溝槽、等離子體，各種類型的微射流、移動壁、聲襯等）開展了數(shù)值和試驗研究，但距離工程實用仍有許多問題亟待解決，如高雷諾數(shù)湍流邊界層減阻控制、氣動激勵噪聲特性及其控制、新型高性能計算機效能挖掘等問題。

（2）基于深度學習的計算流體力學（CFD）技術和空氣動力學優(yōu)化設計

提高CFD計算精度、降低CFD計算成本、提高基于CFD優(yōu)化的工程適用性和效率是飛機優(yōu)化設計中亟待解決的問題之一。將深度神經(jīng)網(wǎng)絡和深度學習技術引入湍流模型構(gòu)建、試驗和模擬數(shù)據(jù)融合、代理模型構(gòu)建、流場特征提取等方面是很有前景的發(fā)展方向。

（3）飛機尾流的氣動機理與飛行影響評估和飛行安全預測

大型客機起降時產(chǎn)生的尾渦是限制機場容限的最重要因素。歐盟WakeNet項目所發(fā)展的尾渦控制技術距離工業(yè)化應用還有一定差距。需要進一步對不同類型遠場尾跡的動力學和不穩(wěn)定特性進行系統(tǒng)研究，并提出一種加速典型商用飛機遠場尾跡衰減的可行辦法。

4.2推進系統(tǒng)領域

（1）混合電推進系統(tǒng)關鍵技術與驗證

2019年的巴黎航展宣告了電動飛機時代的來臨。電動/混合動力推進系統(tǒng)是電動飛機的核心。相比傳統(tǒng)燃油動力而言，人們對電推進系統(tǒng)的研究還處于初級階段，亟須開展系統(tǒng)建模仿真工具、高效高功率密度電機以及控制系統(tǒng)、混合動力系統(tǒng)能量管理控制策略等方面的系統(tǒng)性研究。

（2）能源和存儲系統(tǒng)關鍵技術

未來的純電動飛機能否成為現(xiàn)實主要依賴于能源和存儲技術的發(fā)展?，F(xiàn)有鋰離子電池能量密度僅為150～250W·h/kg（用于全電支線飛機至少需1800W·h/kg）。因此，需要開展燃料電池、鋰空氣、鋰硫磺等新興能源存儲技術及其相應的熱管理、安全性設計等問題研究。

（3）綠色航空能源及其適用的航空發(fā)動機關鍵技術

國際航空界對生物燃料有巨大需求。少量航班已開始使用生物燃料，少數(shù)幾種制備方法也獲得了認證，但成本偏高、對糧食作物產(chǎn)生不利影響、對發(fā)動機影響不明確等問題仍然沒有很好地得到解決。亟須進一步開展生物燃料最佳生物質(zhì)來源研究、生物燃料對發(fā)動機工作影響研究以及評估生物燃料的全生命周期碳減排。

4.3機載系統(tǒng)領域

（1）多模智能導航及機載、地基通信技術

衛(wèi)星導航是未來機載導航的主流技術。多系統(tǒng)衛(wèi)星導航在可用衛(wèi)星數(shù)量、定位連續(xù)性和可靠性、定位精度等方面都優(yōu)于單一系統(tǒng)的衛(wèi)星導航，是未來發(fā)展的必然趨勢。但是，如何讓機載系統(tǒng)與各種導航源一起工作，并滿足規(guī)定的完好性風險及其相關的告警限制和告警時間，仍需開展多星座衛(wèi)星導航完好性檢測技術、基于多模式GNSS精度的智能導航優(yōu)化技術和針對多模導航傳感器信息的數(shù)據(jù)融合技術等研究。

（2）基于無線與電源線的機載網(wǎng)絡

飛機上的線束是飛機重量的重要組成部分之一（A380上線束重量（質(zhì)量）達5.7t）。采用機載無線或電源線載波網(wǎng)絡具有簡化布線設計、降低維護費用、降低飛機重量等優(yōu)勢。航空無線電技術委員會（RTCA）和歐洲民航電子設備組織（EUROCAE）已經(jīng)發(fā)布機載無線操作標準的首份草案。在無線網(wǎng)絡大規(guī)模應用前，仍需要解決與已有飛機射頻系統(tǒng)共存、對抗干擾的韌性、對抗外部干擾威脅等問題。對于電源線載波通信網(wǎng)絡，歐盟TAUPE項目雖已開展部分研究，后續(xù)還需要對飛機電源線分配網(wǎng)絡的建模，電源線網(wǎng)絡中已調(diào)信號傳輸、衰減、干擾、沖激脈沖壓制的效果，載波信號發(fā)送器和接收器的接口設計等開展深入研究。

（3）個人自主飛行器管理與控制技術

隨著空域的逐步開放，越來越多的個人飛行器將進入民用市場，飛行員短缺問題會更加明顯。因此，提高飛行器自主飛行能力勢在必行。然而，開放的空域、不完整的信息和未知的決策邊界會增加飛行任務處理和系統(tǒng)運行的不確定性。同時，受限于機載計算平臺的體積、重量和功耗，人工智能算法的實施和部署也存在一定的難度。本方向的研究將產(chǎn)生一系列智能算法和相應的技術規(guī)范/標準，支持個人飛行器更加靈活有效地使用空域。

4.4綠色航空結(jié)構(gòu)和材料領域

（1）綠色與多功能航空復合材料技術

植物纖維和生物質(zhì)樹脂等可再生型綠色復合材料的研究已進行多年，但其結(jié)構(gòu)力學性能和穩(wěn)定性仍然制約其在飛機上應用。另一方面，現(xiàn)有的飛機復合材料結(jié)構(gòu)為了獲得安全可靠的電氣環(huán)境，必須額外構(gòu)建電網(wǎng)絡系統(tǒng)以達到防雷擊要求，這進一步增加了飛機重量。因此，研究導電-結(jié)構(gòu)一體化的復合材料被提上議事日程。此外，應用復合材料的飛機由于其價格昂貴、具有一定的污染性，現(xiàn)在亟須開展碳纖維回收技術研究，同時，還應針對選定的飛機復合材料制件開展全壽命周期評估。

（2）新型航空材料的測試、表征與仿真及虛擬測試

新的航空材料從設計到認證、應用往往需要較長的時間和較高的成本。本方向主要目標是開發(fā)新的表征技術和虛擬設計概念，以減少生物質(zhì)復合材料應用的成本和風險。目標是降低25%的成本，將經(jīng)過驗證的虛擬設計模型轉(zhuǎn)換為用戶友好的平臺，服務航空材料研發(fā)企業(yè)。

（3）智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）可提高飛機檢測的可靠性并降低維護成本。雖然SHM的研究已經(jīng)開展了幾十年，但與成功的工程應用仍然存在一定差距。如SHM對飛機結(jié)構(gòu)損傷容限設計的影響研究較少，各個層級的驗證嚴重不足，數(shù)據(jù)分析和決策高度依賴人的經(jīng)驗等，需要針對這些問題繼續(xù)開展深入研究。

4.5空中交通管理領域

（1）基于智能傳感器的空中交通管理性能實時評估

空中流量的增加給空管系統(tǒng)帶來巨大壓力，提高空中流量實時監(jiān)測和空管系統(tǒng)績效評估能力變得至關重要。目前，受限于監(jiān)測的數(shù)據(jù)范圍、實時性、協(xié)同決策能力等問題，基于空中流量監(jiān)測的空管系統(tǒng)績效和安全性能評估作用有限。隨著智能傳感器的出現(xiàn)，構(gòu)建自測試、自驗證和自適應的實時績效評估系統(tǒng)成為可能，這將為理解、預測和管控航空安全風險、提高運行效率發(fā)揮重要作用。

（2）面向編隊運行的航空器四維航跡/航跡簇管理

除了提高空中交通管理水平，建立新的運行概念也是應對未來空管挑戰(zhàn)的一種必要手段。受軍用飛機的飛行編隊及鳥類等動物的編隊飛行啟發(fā)，通過民用飛機編隊智能動態(tài)組建進一步增強四維軌跡，可實現(xiàn)在高度擁堵的空域中優(yōu)化運行，將CNS無線電頻率的使用降到最低。需要開展機載航跡預測、沖突探測和解脫、新數(shù)據(jù)鏈通信等技術研究。

（3）高性能和高預測性的機場運行協(xié)同管理

目前，機場協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM）的應用大大提高了航路網(wǎng)絡或空中交通流量管理的可預測性。為進一步提高機場運行效率、可預測性、安全性/安保等方面性能，引入對機場空側(cè)和陸側(cè)信息集成度更高的全面機場管理（TAM）是未來的發(fā)展趨勢。同時，探索機器學習、人工智能等在TAM的應用，或?qū)⑦M一步提高基于績效的機場協(xié)同管理水平。

4.6安全、安保和運營領域

（1）結(jié)冰條件、效果及安全評估方法

過冷大水滴（SLD）結(jié)冰條件下飛行風險是航空安全的一個挑戰(zhàn)。2015年，歐洲航空安全局（EASA）和美國聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布針對SLD的新飛機結(jié)冰適航條款。目前針對該適航條款的研究還不充分，全面的符合性驗證方法還未獲得。還需要開展不同粒徑分布SLD影響、結(jié)冰的典型特征、SLD結(jié)冰機理等研究，完善結(jié)冰風險評估方法以及飛行中結(jié)冰防護新概念。

（2）下一代先進航空電子設備安全評估理論與方法

隨著計算技術和信息技術的發(fā)展，飛機機載系統(tǒng)的范圍和深度已顯著擴大，系統(tǒng)復雜程度不斷提高的同時也引入了新的安全風險?，F(xiàn)有手段和標準無法對其進行安全性評估，需要新的安全性分析理論和方法。此外，復雜系統(tǒng)下故障傳播機制也是一個需要解決的問題。歐盟SCARLETT項目已經(jīng)初步研究了可重構(gòu)的分布式IMA平臺概念，后續(xù)仍需要對資源共享特性導致的失效、資源深度耦合導致的系統(tǒng)故障檢測困難、邏輯映射復雜導致的系統(tǒng)安全分析困難等問題開展深入研究。

（3）無人機、交通管理和空域一體化

隨著民用無人機產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，航空主管部門在保障航空運行安全、防范黑飛、制定完整的無人機安全標準等方面面臨新的挑戰(zhàn)。歐洲通過無人系統(tǒng)規(guī)則制定聯(lián)合體（JARUS）開展了大量的標準制定工作，中國民航局也成立民用無人機管理領導小組，開展了空中交通管制、無人機運行、適航標準、人員執(zhí)照等方面的研究。后續(xù)雙方可聯(lián)合開展基于運行風險的無人機安全標準、支持空域運行的無人機空中交通管理系統(tǒng)等研究。

5結(jié)束語

中歐航空科技合作經(jīng)歷了從無到有、從少到多、從小到大、地位趨于平等、管理逐漸規(guī)范、機制逐步完善的發(fā)展歷程。如今，雙方進一步面向未來從戰(zhàn)略層面提出新的合作主題，合作的系統(tǒng)性和前瞻性均達到了新的高度。相信雙方良好的合作基礎和優(yōu)勢互補的創(chuàng)新能力必將促成更多合作，希望中方相關方向科研團隊抓住機遇，積極參與對歐合作，共同為應對全球航空業(yè)挑戰(zhàn)做出新的貢獻。

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（責任編輯王為）

作者簡介

王元元（1982-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：民用飛機產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、航空氣動技術。

Tel：010-57827751

E-mail：wangyuanyuan@cae.ac.cn

李慧熹（1986-）女，碩士，工程師。主要研究方向：民用航空科技國際合作、歐洲民用航空戰(zhàn)略和情報研究。

Tel：010-57827573E-mail：lihuixi@cae.ac.cn

Analysis on the Future Direction of China-EU Cooperation in Civil Aviation Science and Technology

Wang Yuanyuan1，*，Li Huixi2

1. AVIC Development Research Center，Beijing 100029，China

2. Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100029，China

Abstract： Being a role model for China-EU Science and Technology cooperation， the China-EU civil aviation science and technology cooperation has played an active role in advancing scientific and technological progress and enhancing understanding and mutual trust. In order to strengthen partnership and better coordinating the new-round of technology planning， China and EU will strengthen the strategic dialogue and achieve a common development vision as "safety aviation， green aviation， and smart aviation". Both have jointly presented 18 cooperative topics for the future. This article will introduce the background of China-EU civil aviation science and technology cooperation， summarizing the argumentation approach and process， with emphasis on the analysis of necessity and main research content of each cooperative direction. It will provide a reference for Chinese stakeholders related to China-EU cooperation.

Key Words： civil aviation； science and technology cooperation； propulsion technology； airborne systems； green aviation material and structure； ATM； aircraft safety