這些創(chuàng)新，將改變未來的飛行

張晉

波音公司創(chuàng)始人威廉·波音曾經(jīng)說過：“不要因為一句‘這做不到而放棄任何一個創(chuàng)新構想。”

在航空業(yè)進入新一輪格局重組的當下，創(chuàng)新技術層出不窮。今天，無論你是否做好了準備，全新布局的電動飛機、更高效率的機身裝配生產(chǎn)線、人工智能技術等正在一步步從天馬行空的設想變?yōu)楝F(xiàn)實。

混合電推進技術

混合電推進技術是解決飛機推進、動力與熱管理問題的有效途徑。2019年，全球范圍內(nèi)混合電推進技術領域開展了多項硬件級演示驗證計劃，使這一技術向應用邁出了一大步。

在系統(tǒng)研究領域，2019年4月，柯林斯宇航公司宣布投資5000萬美元，建設一個面積達2300平方米的先進電力系統(tǒng)試驗室——“電網(wǎng)”（The Grid）。該試驗室計劃于2021年全面運行，未來可用于支持功率等級1兆瓦的電機、電機控制器和電池系統(tǒng)的設計和測試。

在支線飛機領域，羅羅公司2019年8月宣布，用于E-Fan X支線混合電推進驗證機的2.5兆瓦發(fā)電機已進入地面測試階段。在當年6月的巴黎航展上，羅羅宣布將收購西門子電動飛機業(yè)務。此外，聯(lián)合技術公司高級項目組宣布了一個名為“804”的項目，該項目計劃在3年內(nèi)完成以Dash9-100飛機為平臺的混合電推進飛機的改裝及試飛工作，最終目標是通過使用包含1兆瓦發(fā)動機（針對巡航效率優(yōu)化）和1兆瓦電機（電池驅動，主要為起飛、爬升階段提供動力）的混合電推力系統(tǒng)替代一臺渦槳發(fā)動機，從而實現(xiàn)燃油消耗降低30%的目標。

在輕型飛機領域，加拿大海港航空2019年3月宣布與電機初創(chuàng)公司MagniX合作，以德·哈維蘭公司“海貍”飛機為平臺開展全電推進系統(tǒng)改裝。2019年12月，裝載了全電推進系統(tǒng)的飛機完成了首次試飛。根據(jù)計劃，該型飛機將在2021年完成適航取證。

在美國，NASA一直在推進全電X-57飛機的演示驗證計劃，2019年8月完成了大展弦比機翼載荷測試。除了項目本身之外，NASA還在高校中資助了多個研究項目，如為伊利諾伊大學香檳分校的飛機低溫高效電力技術中心提供了為期3年、總額600萬美元的資助，用于研發(fā)基于液態(tài)氫燃料電池的全電推進飛機。

在歐洲，2020年伊始，由“歐洲地平線2020”計劃資助的混合電推進技術項目（IMOTHEP）在布魯塞爾正式啟動。該項目獲得了1040萬歐元資助，旨在研究商用航空混合電推進技術，研究周期為4年。IMOTHEP將結合先進的飛機構型設計和創(chuàng)新的推進系統(tǒng)架構，對混合電推進飛機的電力系統(tǒng)技術進行深入研究，以充分發(fā)揮推進系統(tǒng)與飛機構型之間的協(xié)同效應。

該項目由法國航空航天研究中心牽頭開展，共有33個參與方，其中包括空客、賽峰、MTU、法國國立高等航空航天學院、鮑豪斯研究院、歐洲航行安全組織等。此外，歐洲航空安全局作為第三方也參與了研究項目。

ATI波音加速器計劃

2019年，737MAX事件讓波音頭疼不已，但是波音并沒有放慢技術創(chuàng)新的腳步。2019年10月，波音聯(lián)手英國航空航天技術研究所（ATI），共同宣布了一項為期2年的計劃——ATI波音加速器計劃，該計劃旨在扶持航空航天工業(yè)中初創(chuàng)企業(yè)的成長。

該計劃第一輪為期三個月，旨在尋找世界一流的初創(chuàng)公司，每家被選為資助對象的初創(chuàng)企業(yè)將獲得來自波音HorizonX風險投資平臺的10萬英鎊股權投資，并有機會同ATI、波音的專家交流合作，共同完成技術的初始概念驗證工作（POC）。波音將在2年的計劃執(zhí)行期內(nèi)，通過旗下的HorizonX風險投資平臺提供至少200萬英鎊的資金支持。通過這種合作，波音和ATI希望能夠加速創(chuàng)新，幫助充滿活力的全球初創(chuàng)企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)迅速成長。ATI波音加速器計劃每年將扶持2批，每批8～15家初創(chuàng)企業(yè)，企業(yè)的業(yè)務范圍主要包括先進材料、區(qū)塊鏈技術、增材制造、數(shù)字孿生、智能工廠等。

ATI波音加速器計劃是首個專門針對民用航空航天技術設立的加速器計劃，它將為初創(chuàng)企業(yè)在行業(yè)內(nèi)取得成功提供更大的機會和平臺。利用新技術和新商業(yè)模式提高生產(chǎn)率、刺激行業(yè)發(fā)展來應對挑戰(zhàn)，已經(jīng)被證明是一種可行的方式。在這一平臺中，初創(chuàng)企業(yè)展示的新技術和解決方案將會被大企業(yè)敏銳捕捉，從而得到更好的發(fā)展。

ATI波音加速器計劃受到了英國政府和企業(yè)的傾力支持。2020年1月，英國商務部、能源與工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）宣布開設全新的“加速器”辦公室，標志著該計劃正式進入實施階段。

目前，首批獲得資助的10家初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)在眾多參選企業(yè)中脫穎而出，它們將在未來三個月內(nèi)在倫敦接受來自ATI、波音和GKN航宇公司戰(zhàn)略規(guī)劃和技術方面專家的直接指導，共同完成項目的初始概念驗證。根據(jù)計劃，首批獲得資助的10家企業(yè)將在4月的演示驗證中向客戶、投資方等詳細介紹研究成果以及應用前景等。

NASA在關注什么

2020年2月，美國政府公布了其2021財年預算申請。其中，美國國家航空航天局（NASA）2021財年的預算為252億美元，較上一年預算增加12%，其中近一半將用于支持重返月球和登陸火星計劃。用于民用航空科技研發(fā)的預算為8.19億美元，較上一財年增長4.5%。同時，NASA的預算還明確了將重點支持X-59超聲速技術低聲爆驗證機（QueSST）、電推進系統(tǒng)、無人機空中交通管理等方面的研發(fā)工作。

目前，NASA航空領域的研究以“計劃（Program）+項目（Project）” 的兩層結構對相關科研工作進行管理。其中，“計劃”指的是實現(xiàn)NASA航空研究戰(zhàn)略目標相關的重點研究方向，在相當長時間里將保持相對穩(wěn)定;“項目”則是較為具體的一些科研內(nèi)容，可能是面向某些通用領域的科研需求，也可能是針對專門領域或主題的研究，不同項目實施的科研周期也不盡相同。2021財年，NASA航空研究新增了航空學評價與試驗能力計劃（AETC），使得NASA航空研究計劃增加到5個，其他4個延續(xù)性計劃為：空域運行與安全性計劃（AOSP）、先進飛行器計劃（AAVP）、綜合航空系統(tǒng)計劃（IASP）和變革性航空概念計劃（TACP）。

新增的航空學評價與試驗能力計劃主要用于支持地面試驗設施的可持續(xù)發(fā)展?？沼蜻\行與安全性計劃旨在開展空中交通管理和運營安全性概念相關的研究與技術開發(fā)。該計劃包括兩個子項目，分別是空中交通管理-探索（ATM-X）和系統(tǒng)級安全性（SWS）。

空中交通管理-探索項目將繼續(xù)推進實現(xiàn)無人機系統(tǒng)交通管理（UTM）運行和空域集成的技術開發(fā)與驗證，特別是實現(xiàn)城市空運（UAM）飛行器的空域和空中交通管理能力;利用波音環(huán)保驗證機開展飛行試驗，確定未來自主貨機運行的研究需求。系統(tǒng)級安全性項目將開發(fā)處理飛行器狀態(tài)信息以監(jiān)控系統(tǒng)安全性和進行預測的技術，為發(fā)展先進實時系統(tǒng)級安全性保證系統(tǒng)打下基礎，進而實現(xiàn)風險的自動監(jiān)控、評估和緩解。

先進飛行器計劃將支持先進工具、技術和概念的開發(fā)，使下一代飛機更安全、能源利用更高效、對環(huán)境的影響更低。先進飛行器計劃2021財年包含先進空中運輸技術、垂直升力技術、民用超聲速技術、高超聲速技術4個項目。其中，民用超聲速技術項目將支持X-59QueSST飛機的后期試飛工作。

先進空中運輸技術項目將利用NASA電動飛機試驗臺（NEAT）開展兆瓦級逆變器試驗以及先進機翼、發(fā)動機降噪裝置等降噪技術驗證。創(chuàng)新垂直升力技術項目將開發(fā)電垂直起降飛行器的高壓直流電源質量標準，通過建模仿真驗證UAM多旋翼飛行器聲學性能的計算能力。民用超聲速技術項目將確定聲學驗證測量系統(tǒng)，準備低聲爆飛行驗證機試驗的實施計劃，利用預測驗證工具完成試驗前預測能力的評估。高超聲速技術項目將進行高超聲速飛行試驗性能預測計算，研究渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動機部件的設計方案，為其后續(xù)制造和地面試驗打下基礎。

綜合航空系統(tǒng)計劃主要包含4個子項目，分別是飛行驗證與能力、電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證、先進空運和低聲爆飛行驗證機。

飛行驗證與能力項目將為X-57飛機的下一階段飛行做好準備，其中包括電機移至機翼翼尖和采用綜合分布式電推進電機等試驗。

電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證項目是2021年新設的項目，該項目將支持把電動力系統(tǒng)、電分配和儲能部件加裝至已有飛機平臺，并通過飛行試驗驗證電推進系統(tǒng)的性能。

先進空運項目從2021年開始從空域運行與安全性計劃轉至綜合航空系統(tǒng)計劃下管理，該項目將管理城市空運“大挑戰(zhàn)”飛行驗證活動等大型復雜驗證活動，將獲得的經(jīng)驗和知識與美國聯(lián)邦航空局（FAA）以及工業(yè)界分享，為后續(xù)的商業(yè)化運營做好準備。

低聲爆飛行驗證機項目為NASA航空研究中的低聲爆飛行驗證（LBFD）任務提供主要支持。NASA低聲爆飛行驗證任務分為三個階段。

第一階段開展X-59飛機詳細設計、制造、首飛和包線擴展試飛。第二階段開展低聲爆聲學驗證試飛，包括飛機近場、中場和遠場及地面聲爆信號的數(shù)據(jù)收集和評價。第三階段，X-59驗證機將在多處開展低聲爆公眾反應試飛，試飛研究結果將提交國際民航組織以制訂新的超聲速客機噪聲標準。低聲爆飛行驗證機項目將完成LBFD任務的第一、第二階段工作，主要內(nèi)容是完成最后的飛機子系統(tǒng)測試和NASA提供的系統(tǒng)的地面試驗，完成X-59飛機的飛行就緒評審。預計X-59將在2022年1月完成首飛，2023年1月洛克希德·馬丁將把飛機交給NASA，LBFD任務的第一階段隨之結束。

變革性航空概念計劃則主要利用航空與非航空技術的集成，創(chuàng)造新概念與技術。變革性航空概念計劃2021年包含3個項目，即聚合航空解決方案、變革性工具與技術和高校創(chuàng)新。其中，聚合航空解決方案項目將支持人機協(xié)同、創(chuàng)新性材料、電垂直起降飛機綜合聲學分析能力開發(fā)等。

從公布的研究計劃中不難看出，NASA的研發(fā)投入聚焦在電推進、城市空運、無人機系統(tǒng)空中交通管理等方面的技術研發(fā)和飛行驗證。2020年，NASA的X-57電動飛機將完成首次飛行，X-59驗證機將完成總裝，驗證城市空運的“大挑戰(zhàn)”活動的前期準備工作正在有序推進。NASA重點關注的這些領域，或許代表了行業(yè)未來的發(fā)展方向。