民用航空產(chǎn)品 創(chuàng)新的思考

張彤彤 劉忠

目前全球民機(jī)產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)主要集中在新能源、超音速、非常規(guī)氣動(dòng)布局等方面，民機(jī)制造商和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也制定了相關(guān)戰(zhàn)略，開(kāi)始新產(chǎn)品的研制。但同時(shí)業(yè)界也有一些新的思考，那就是在眾多的技術(shù)創(chuàng)新中，到底哪一個(gè)研發(fā)方向才最貼合市場(chǎng)需求？對(duì)于中國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)而言，應(yīng)該將關(guān)注的重點(diǎn)放在何處才更有助于形成未來(lái)國(guó)產(chǎn)民機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)？

新能源飛機(jī)研發(fā)正當(dāng)時(shí)

隨著全球氣候變暖負(fù)面效應(yīng)的日益顯現(xiàn)，減少碳排放成為各行各業(yè)亟待解決的難題。民航業(yè)碳排放量占全球總排放量的2.5%左右，尋求新的替代能源、改變傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)方式已成為主制造商布局未來(lái)航空市場(chǎng)的突破口。其中，電動(dòng)飛機(jī)和氫能源飛機(jī)是歐美國(guó)家的主攻方向。

按照供能系統(tǒng)劃分，電動(dòng)飛機(jī)可分為全電和混電飛機(jī)兩類。受電池能量密度的限制，全電飛機(jī)僅面向短距小型飛機(jī)的UAM（城市空中出行）市場(chǎng)。多家咨詢公司和金融服務(wù)公司預(yù)測(cè)，全球UAM市場(chǎng)潛力巨大，到2040年全球城市空中出租車(chē)規(guī)模將超過(guò)43萬(wàn)架，整個(gè)UAM市場(chǎng)將達(dá)到1.5萬(wàn)億美元。目前熱度較高的電動(dòng)垂直起降、短距起降等飛行器均屬于UAM范疇。

據(jù)德國(guó)咨詢公司羅蘭貝格統(tǒng)計(jì)，截至2020年1月，全球在研電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目有216項(xiàng)，主要集中在北美和歐洲，且多為2017年后啟動(dòng)的新項(xiàng)目。

在我國(guó)，電動(dòng)飛機(jī)市場(chǎng)也已經(jīng)起步。遼寧通用航空研究院獨(dú)立開(kāi)發(fā)的全電動(dòng)飛機(jī)“銳翔”已取得型號(hào)合格證和生產(chǎn)許可證，銳翔四座全電飛機(jī)RX4E已于去年成功首飛。廣州億航智能生產(chǎn)的全電動(dòng)雙座飛機(jī)Ehang 216也已獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的飛行許可。

除了全電飛機(jī)之外，混合電推進(jìn)飛機(jī)也是行業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。這類飛機(jī)通過(guò)將燃?xì)廨啓C(jī)和電力技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到無(wú)噪聲、高效率、低污染的推進(jìn)效果。不過(guò)，雖然當(dāng)前混合動(dòng)力技術(shù)已應(yīng)用于787、A380和A350、F35戰(zhàn)斗機(jī)等，但電池僅作為輔助動(dòng)力裝置存在。

另外一種清潔能源的思路聚焦在氫能源飛機(jī)上。液氫的熱值是傳統(tǒng)航空燃油的2.78倍，燃燒過(guò)程不產(chǎn)生碳氧化合物和煙塵，氮氧化合物減少2/3，是真正意義上的環(huán)保燃料。如今，全球排名前十的機(jī)場(chǎng)都在嘗試或已經(jīng)部署了氫能基礎(chǔ)設(shè)施，用于輔助交通和物流。

目前，歐美國(guó)家已涌現(xiàn)出一批中短程小型氫動(dòng)力飛機(jī)項(xiàng)目。據(jù)波音公司最近的一項(xiàng)研究顯示，最早到2025年氫動(dòng)力將可用于商用航空領(lǐng)域?？湛驮诮衲?月取消E-Fan X混合動(dòng)力驗(yàn)證項(xiàng)目后，制定了氫動(dòng)力客機(jī)發(fā)展路線圖，計(jì)劃在2030～2035年間實(shí)現(xiàn)百座級(jí)以上氫動(dòng)力客機(jī)的商業(yè)化。美國(guó)氫能源航空初創(chuàng)公司ZeroAvia在今年6月成功完成首次氫動(dòng)力商用飛機(jī)試飛，并計(jì)劃在2023年前完成10～20座級(jí)500英里航程的氫能源飛機(jī)認(rèn)證并投入使用。

由此可見(jiàn)，目前全球氫能源飛機(jī)的發(fā)展處于成長(zhǎng)期，我國(guó)開(kāi)始從事氫能源飛機(jī)的研究正當(dāng)其時(shí)。從目前來(lái)看，我國(guó)制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫尚未形成完整高效的產(chǎn)業(yè)鏈，基礎(chǔ)設(shè)施缺口較大，未來(lái)需要燃料公司、機(jī)場(chǎng)、飛機(jī)制造商和航空公司多方的共同努力。

超聲速客機(jī)研發(fā)需降溫

如今，盡管航線上已無(wú)超聲速客機(jī)的身影，但航空業(yè)從未放棄過(guò)對(duì)超聲速客機(jī)的研發(fā)。

其中，NASA正與洛克希德·馬丁公司聯(lián)合研制安靜超聲速技術(shù)驗(yàn)證機(jī)Quesst X-59。該機(jī)能夠以1.42馬赫的速度在16.8千米的高度飛行，機(jī)上噪聲可控制在60～65分貝范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)2022年實(shí)現(xiàn)城市上空的飛行測(cè)試。成立于2014年的美國(guó)Boom技術(shù)公司正在從事XB-1的研究工作。該機(jī)型可容納55～75名乘客，并在18.3千米的高度以2.2馬赫的速度飛行，目前已完成大部分的設(shè)計(jì)制造并進(jìn)入裝配階段，預(yù)計(jì)2021年開(kāi)始試飛。成立于2002年的美國(guó)Aerion公司早在2004年就開(kāi)始研制超聲速公務(wù)機(jī)AS2，AS2最高巡航速度為1.4馬赫，最大載客量為12人，公司希望能夠在2025年完成取證并開(kāi)始量產(chǎn)。

需要注意的是，今年6月美國(guó)國(guó)防部調(diào)整了11項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)優(yōu)先順序，其中微電子、5G技術(shù)、生物技術(shù)的研發(fā)分別升至第1、第2和第4位，而超聲速技術(shù)的研發(fā)則跌落至第3位。可見(jiàn)，在后疫情時(shí)代，速度或許不再是行業(yè)首先考慮的因素了。

就超聲速飛行器本身來(lái)講，其經(jīng)濟(jì)性和舒適性方面的表現(xiàn)不佳。現(xiàn)有民用機(jī)場(chǎng)的跑道多按照亞聲速大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，無(wú)法承受高溫加力噴流的灼燒，如將超聲速飛機(jī)投入商用，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的重建將會(huì)是一筆高昂的投入。與此同時(shí)，高速飛行與高油耗相伴而生，在強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，超聲速飛機(jī)或許并不適合時(shí)代的需要。

非常規(guī)氣動(dòng)布局受關(guān)注

目前，航空業(yè)已達(dá)成一致，下一代飛機(jī)性能若想獲得質(zhì)的飛躍，就要打破常規(guī)，因此非常規(guī)氣動(dòng)布局的研究備受關(guān)注，較為熱門(mén)的非常規(guī)氣動(dòng)布局包括翼身融合、斜拉翼、變體飛機(jī)、雙氣泡布局飛機(jī)等。

其中，翼身融合飛機(jī)被業(yè)界認(rèn)為是最具發(fā)展前景的非常規(guī)氣動(dòng)布局飛機(jī)。翼身融合飛機(jī)是單一機(jī)翼布局，將機(jī)身和機(jī)翼融為一體，使飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)更為平滑，從而大大減少空氣阻力，提高氣動(dòng)效率。

早在上世紀(jì)20年代初，尼古拉斯·沃耶夫斯基就提出了翼身融合的理論。隨后英國(guó)制造出了第一架翼身融合試驗(yàn)機(jī)——“韋斯特蘭無(wú)畏號(hào)”。該機(jī)在1924年的首飛中出現(xiàn)嚴(yán)重事故墜毀，后續(xù)項(xiàng)目被叫停。20世紀(jì)40年代初期，美國(guó)開(kāi)始設(shè)計(jì)麥道XP-67戰(zhàn)斗機(jī)的原型機(jī)，該機(jī)同樣采用了翼身融合的外形，但第一架原型機(jī)在試飛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)著火，飛機(jī)被大火燒毀，項(xiàng)目被迫中止。20世紀(jì)60年代初期，美國(guó)又相繼推出A-12和SR-71偵察機(jī)，二者均采用翼身融合外形，分別服役6年和25年，這也是第一批成功服役的采用翼身融合外形的飛機(jī)。

在有了一定的技術(shù)積累后，21世紀(jì)初，NASA和波音聯(lián)合啟動(dòng)X-48項(xiàng)目，進(jìn)一步探索翼身融合的相關(guān)技術(shù)。在長(zhǎng)達(dá)15年的研制中，先后推出X-48B和X-48C兩款無(wú)人駕駛驗(yàn)證機(jī)，重點(diǎn)研究翼身融合飛機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性控制。2017年，空客首次啟動(dòng)翼身融合飛機(jī)項(xiàng)目——Maveric，并于2019年首次試飛了Maveric概念機(jī)。

從非常規(guī)氣動(dòng)布局飛機(jī)的發(fā)展歷史中不難發(fā)現(xiàn)，此類飛機(jī)安全性較低，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)成為航空市場(chǎng)的主流機(jī)型。當(dāng)前該技術(shù)均運(yùn)用于軍機(jī)，民航領(lǐng)域進(jìn)展緩慢。造成這一現(xiàn)象的主要原因是翼身融合飛機(jī)相較于傳統(tǒng)氣動(dòng)布局飛機(jī)，縱向靜穩(wěn)定不足。無(wú)尾布局不易布置操縱面，操縱力臂較短，操縱效率低，三軸耦合嚴(yán)重，對(duì)民航駕駛員的水平和經(jīng)驗(yàn)要求極高。

此外，目前民航客艙均為增壓機(jī)艙，翼身融合飛機(jī)剖面形狀不具備傳統(tǒng)筒式機(jī)身分散壓力的能力，設(shè)計(jì)過(guò)程中更要注重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)身解體問(wèn)題。同時(shí)，由于翼身融合結(jié)構(gòu)飛機(jī)的客艙內(nèi)部空間與傳統(tǒng)飛機(jī)也有很大差別，因此如何對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部布局，既保證乘客的乘坐舒適性又能滿足適航的要求，至今還沒(méi)有有效的解決方法。此外，翼身融合飛機(jī)與現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)設(shè)施的兼容性低，此類飛機(jī)相對(duì)于目前的航站樓登機(jī)口而言體積過(guò)大，若應(yīng)用于民航，對(duì)現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)設(shè)施的改造又將是一大筆投入。

對(duì)我國(guó)民機(jī)技術(shù)研發(fā)的啟示

全球航空業(yè)正經(jīng)歷著前所未有的時(shí)代，新冠肺炎疫情的沖擊影響了旅客結(jié)構(gòu)、消費(fèi)習(xí)慣、航司營(yíng)運(yùn)模式和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局。隨著“綠色航空”理念的發(fā)展與推進(jìn)，環(huán)保性在未來(lái)民機(jī)研制中的權(quán)重將更加突出。

目前，歐洲已經(jīng)推出了一系列政策，將大量資源投入新能源飛機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)。他們這樣做不僅僅是為了滿足未來(lái)民航運(yùn)輸業(yè)的環(huán)保需求，更是為了推動(dòng)歐洲新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，搶占民機(jī)新技術(shù)發(fā)展制高點(diǎn)。中國(guó)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)未來(lái)要走出國(guó)門(mén)，一定要滿足日漸嚴(yán)苛的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，因此新能源飛機(jī)產(chǎn)品是未來(lái)布局海外市場(chǎng)的自然選擇。

同時(shí)，新能源飛機(jī)的研制將帶動(dòng)國(guó)內(nèi)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)、高能量密度電池、高效率電推進(jìn)系統(tǒng)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。以電動(dòng)飛機(jī)的研制為契機(jī)，開(kāi)展多行業(yè)共通核心技術(shù)攻關(guān)、開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)飛機(jī)產(chǎn)品，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)綠色航空、綠色交通發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。

相比之下，超聲速飛機(jī)和非常規(guī)氣動(dòng)布局飛機(jī)則更適合用作軍機(jī)和特種飛機(jī)，二者作為民機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和旅客接受度都低于新能源飛機(jī)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)涌現(xiàn)出多家有特色有實(shí)力的電動(dòng)飛機(jī)企業(yè)，形成了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，而我國(guó)在超聲速和非常規(guī)氣動(dòng)布局領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備尚淺，距離規(guī)?；瘧?yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走。

無(wú)論如何，全球新一輪技術(shù)浪潮正席卷而來(lái)，我國(guó)民用航空主制造商要把握機(jī)會(huì)，變中尋機(jī)，加快布局前沿技術(shù)，培育優(yōu)勢(shì)技術(shù)領(lǐng)域，提升產(chǎn)業(yè)話語(yǔ)權(quán)，掌握民機(jī)發(fā)展主動(dòng)權(quán)。