商用飛機先進技術研究及展望

摘要：重點介紹了近年來商用飛機領域的先進技術，并對未來商用航空發(fā)展趨勢進行了展望。針對商用飛機開展的研究不但可有效提升相關領域的技術水平，同時對民用航空運輸?shù)陌l(fā)展亦大有裨益。

關鍵詞：商用飛機;先進技術;飛機設計;民用航空運輸

0 ? ?引言

近年來，隨著民用航空運輸領域的不斷發(fā)展，針對商用飛機的技術研究得以全面開展，其技術水平也得到了飛速提升[1]。商用飛機通常是指搭載大量乘客而進行遠程飛行的噴氣式飛機，目前在世界范圍內(nèi)已形成了少數(shù)幾家大公司占主導的格局。

1 ? ?商用飛機的先進技術

為了滿足減輕重量、降低噪聲、減少排放、系統(tǒng)魯棒性、運行安全性及經(jīng)濟性等設計需求，商用飛機領域引入了越來越多的先進技術，例如，復合材料技術，平視顯示器（HUD），語音識別，全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機，點對點慣性導航儀，完全基于數(shù)字視頻顯示的可重構數(shù)字儀表顯示器、多普勒雷達，電傳操縱（FBW）或光傳操縱（FBL），實時計算機故障檢測和隔離。其中，復合材料技術是飛機減重的關鍵技術。下文重點介紹了當前商用飛機上所采用的先進技術。

1.1 ? ?先進的亞聲速運輸機

對于亞聲速運輸機，關鍵先進技術的應用包括：重心（CG）管理系統(tǒng)（例如采用垂直安定面油箱）;復合材料的主、次結構;帶有高載荷減緩技術的超臨界機翼，混合層流控制及高升力系統(tǒng);先進渦輪風扇發(fā)動機[2-5]，電傳操縱及電傳動力（PBW）;鈦合金起落架;鋁鋰合金或金屬復合材料機身結構以及增穩(wěn)裝置。即使在目前并未得以廣泛應用，但上述許多新技術正被引入現(xiàn)今的飛機設計中，也將成為未來飛機應用的常規(guī)技術[6]。

1.2 ? ?先進的超聲速運輸機

對于超聲速運輸機，相關先進技術的應用包括：綜合視景，側桿控制，先進的輕質材料，混流式渦輪風扇發(fā)動機，負靜余量，混合壓縮進氣口，改進超聲速巡航效率的箭翼，F(xiàn)BL、PBW飛行控制裝置及俯仰自動控制[7]。

1.3 ? ?機體技術

飛機結構技術的改進將來自于先進材料和集成技術。集成計算機代碼可同時兼顧空氣動力學和強度方面的要求，因此，計算機輔助設計成為在系統(tǒng)工程框架內(nèi)評估物理接口的先進工具。復合材料的運用使其可通過更大的展弦比減輕重量，并提高性能。先進的加工技術使得部件數(shù)量最低化的設計成為現(xiàn)實。就復合材料結構而言，其雖然能夠避免一些金屬結構的缺點，例如金屬疲勞，但是復合材料的分層是其一大弱點。因此，采用這種類型的結構之前，需著力解決這些技術問題。

1.4 ? ?空氣動力學的改進

新的空氣動力學技術包括使用壓力敏感涂料和計算流體力學（CFD），這些技術將允許采用多點機翼的設計，以達到最低的巡航阻力特性和高仿真的抖振補償邊界。另一個目標是帶有大型高涵道比（HBPR）發(fā)動機的機翼的高效氣動翼型。另外還有具有較高空氣動力學效果但成本低廉的高升力系統(tǒng)。

1.5 ? ?噪聲控制

主動噪聲控制可以降低座艙內(nèi)噪聲，而不會導致飛機大幅增重。這種技術引入了與主噪聲相反的二次噪聲源，以此抵消主噪聲。該技術控制的噪聲可覆蓋較寬的頻率范圍，以抵消發(fā)動機噪聲和邊界層噪聲?？刂七吔鐚釉肼晫τ诟咚倜裼眠\輸機（HSCT）而言尤為重要。

1.6 ? ?光傳操縱（FBL）、電傳操縱（FBW）及電傳動力（PBW）技術

光傳操縱（FBL）將基于多路復用光學的子系統(tǒng)引進飛機設計過程中，該技術可有效減輕布線重量，降低暴露于電磁干擾（EMI）的危害，并因無須對全機子系統(tǒng)試驗而簡化合格審定過程。電傳動力（PBW）和電傳操縱（FBW）可以減輕飛機重量，且不需要用于次級動力子系統(tǒng)的發(fā)動機引氣及變速傳動裝置。光傳操縱（FBL）、電傳操縱（FBW）及電傳動力（PBW）技術可以提高可靠性，降低維修成本，并減輕飛機重量。

1.7 ? ?綜合視景能力

綜合視景能使駕駛員使用可視化圖像和導引手段來洞察天氣和補償?shù)退秸彰鳁l件。這些子系統(tǒng)可能使用基于衛(wèi)星的導航、成像傳感器及高分辨率顯示器，以使操作有更高程度的自主權。

1.8 ? ?推進控制飛機

通過推力調(diào)節(jié)而非通過操縱面控制的飛機在災難性事件（包括恐怖事件）中存活概率更高，并能在局部故障狀態(tài)下更好地運行。駕駛員能通過使用推進控制機制而維持部分對飛機的控制。

1.9 ? ?自動貨物裝卸

空運貨物裝卸改進方法（IMACH）是改進貨物裝卸各大技術的集成，這些方法側重于搬運功能，主要考慮對大型的及更復雜的貨物的搬運以及自動化特點。IMACH可以使托盤貨物的移動完全自動化，這項改進可縮短地面轉場時間，對于航空公司客戶而言，轉場時間是一項主要的成本因素。

1.10 ? ?高速民用運輸機（HSCT）

新興的先進技術一直是推動高速民用運輸機（HSCT）發(fā)展的關鍵。這些技術包括先進推進系統(tǒng)及先進的材料，其可用于管理與飛行馬赫數(shù)2.4量級相關的溫度條件。業(yè)界正在研究空氣動力學和技術集成、推進、結構和材料、駕駛艙系統(tǒng)以及關鍵的環(huán)境問題，包括音爆、機場和社區(qū)噪聲及排放領域。

1.11 ? ?人為因素

人的因素早已成為影響飛機設計的關鍵因素之一，特別是在駕駛艙布局方面。其關鍵要求包括用于解決高負荷工作和駕駛員疲勞駕駛之間的矛盾及相關危害的新技術。與設計系統(tǒng)相結合，采用先進的可視化系統(tǒng)作為系統(tǒng)工程的一部分，可以提供成本效益高且快速的打樣方法，以評估和調(diào)整設計。

1.12 ? ?先進設計系統(tǒng)

飛機設計的復雜性驅使航空工業(yè)致力于開發(fā)先進的設計和仿真系統(tǒng)。在許多情況下，這些系統(tǒng)提供的設計信息比完全依賴風洞試驗更快、更經(jīng)濟。結合先進的可視化技術，這些系統(tǒng)均已足夠成熟，可為研究及飛機設計和工程試驗提供理論依據(jù)。計算機輔助設計工具與基于每個機型的培訓試驗之間存在較強的協(xié)同作用。對新機型而言，飛行特性的建模較為準確，由此可獲得型號等級認可。在商用飛機行業(yè)，仿真已被確立為系統(tǒng)工程的主要驗證技術之一。

1.13 ? ?飛行包線保護功能

飛行包線保護是近年來出現(xiàn)的全新系統(tǒng)。電傳操縱通過飛行包線保護編程增強安全性，此舉使得駕駛員能自如地駕駛飛機，而防止任何非正常運行方式，如失速、飛行速度過快或出現(xiàn)過載等現(xiàn)象。

1.14 ? ?翼身融合技術（BWB）

在1997年與波音公司合并之前，麥道公司最初設想的翼身融合體是一個預期能更經(jīng)濟地運送更多乘客或貨物的概念。其類似于一個飛翼，但包含了機翼和機身，而且機翼和機身能平滑地結合在一起。與傳統(tǒng)飛機相比，BWB在運營成本、燃油效率、總重量和氮氧化物的排放量方面更具優(yōu)勢。

盡管這個概念很有前景，但是BWB仍面臨許多挑戰(zhàn)。該概念的一大弊端是，對于目前的航站樓登機口而言，這種飛機體積過大。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，機翼折疊也不可行。這類飛機面臨的其他挑戰(zhàn)包括結構和材料、空氣動力學、控制、氣動結構一體化、推進機體結構集成、系統(tǒng)集成及保障設施等方面。

1.15 ? ?商用飛機制造工藝

近年來，世界范圍內(nèi)的商用飛機制造業(yè)逐漸由手工制造向大規(guī)模生產(chǎn)轉變。雖然商用飛機的生產(chǎn)過程許多方面與汽車非常類似，但是商用飛機的設計和制造更加復雜。飛機制造是一個小批量生產(chǎn)過程，其復雜性由以下幾方面引起：依賴于高度集成的高科技子系統(tǒng)、先進材料的使用、詳細說明的規(guī)范和極其嚴格的試驗。系統(tǒng)工程可在解決這些問題時發(fā)揮重要作用。

2 ? ?商用航空運輸未來發(fā)展趨勢

2.1 ? ?經(jīng)濟性及監(jiān)管的壓力

商用飛機領域的壓力來自各個方面，既有經(jīng)濟方面的也有監(jiān)管方面的，其中經(jīng)濟壓力主要來自于航空公司客戶[8]。由于相關壓力的推動，效率更高的發(fā)動機應運而生[9-10]，設計也會產(chǎn)生根本性的變化，例如上文所述的翼身融合技術。

飛機的4D航跡是在原有的三維空間基礎上增加時間軸，被稱為“四維導引”。這意味著事實上任何的延誤都會導致航跡的扭曲失真，甚至嚴重到飛行高度層的改變或水平位置的改變。而4D導引的優(yōu)點則包括：優(yōu)化航空公司運營，降低成本及縮短時間，減少尾氣排放并減少管制員的工作量。

其他壓力，尤其是對發(fā)動機制造商的壓力主要來自于減少碳排放量以及降低發(fā)動機噪聲等方面。

2.2 ? ?部件采購趨勢

部件采購的最新趨勢是航空公司自身購買或租借個別的部件，而不采用飛機研制方指定的供應商提供的部件，這些零部件可能是各種閥、泵、風扇等。雖然經(jīng)濟利益對于飛機運營商非常重要，但是如果購買的部件不滿足航空質量要求，航空公司將會面臨更大的風險。最重要的一點是，這些零部件的工作環(huán)境對于不同的航空公司、不同的飛機和不同的飛機區(qū)域可能各不相同，例如，飛機發(fā)動機短艙內(nèi)的環(huán)境溫度與貨艙相比會更高。因此，飛機運營商有責任保證所有以這種方式采購的零部件均滿足飛行要求。

3 ? ?結論及展望

商用飛機具備較高的使用價值，未來在民用航空運輸領域依然會扮演著重要角色，針對其開展的技術研發(fā)亦有著重要意義。而相關領域技術水平的不斷提升，必將創(chuàng)造民用航空運輸領域的明日輝煌。

[參考文獻]

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[3] 伍賽特.航空發(fā)動機燃燒室設計研發(fā)過程研究綜述[J].上海節(jié)能，2019（7）：584-588.

[4] 伍賽特.民用航空發(fā)動機降噪技術研究及展望[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2019，32（4）：55-57.

[5] 伍賽特.民用航空發(fā)動機制造技術現(xiàn)狀及未來趨勢展望[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2019（3）：13-15.

[6] 伍賽特.軍用飛機技術現(xiàn)狀研究及未來發(fā)展趨勢展望[J].機電信息，2019（21）：146-147.

[7] 斯科特·杰克遜.商用飛機系統(tǒng)工程特定領域應用[M].2版.錢鐘焱，趙越讓，譯.上海：上海交通大學出版社，2016.

[8] 陳迎春，李曉勇，宋文斌.商用飛機的經(jīng)濟性設計[J].民用飛機設計與研究，2014（1）：1-5.

[9] 梁春華.商用飛機發(fā)動機幾項關鍵新技術[J].國際航空，2002（9）：53-54.

[10] 鄭占君，陸清，尤琦.商用飛機研制需求管理技術研究[J].航空科學技術，2013（2）：50-51.

收稿日期：2020-01-08

作者簡介：伍賽特（1990—），男，湖南邵陽人，工學碩士，助理工程師，研究方向：內(nèi)燃機與動力裝置。