我看未來(lái)民用客機(jī)發(fā)展

張聚恩

近日，西北工業(yè)大學(xué)研制的翼身融合大型客機(jī)縮比試驗(yàn)機(jī)成功試飛的新聞刷屏網(wǎng)絡(luò)。該試驗(yàn)機(jī)采用翼身融合外形，機(jī)身寬扁，與機(jī)翼平滑過(guò)渡，客艙則位于微微鼓起的機(jī)身下方。作為系列關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)飛行驗(yàn)證的摸底試飛試驗(yàn)，此次試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)機(jī)的起降、通場(chǎng)、規(guī)劃航線(xiàn)自主飛行等科目測(cè)試，圓滿(mǎn)完成了預(yù)期的飛行計(jì)劃。據(jù)悉，這種翼身融合布局的民用客機(jī)，具有氣動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)重量輕、裝載空間大、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是滿(mǎn)足未來(lái)民機(jī)發(fā)展要求的革命性技術(shù)之一，可能成為下一代寬體客機(jī)的發(fā)展方向。

其實(shí)，對(duì)于未來(lái)民用客機(jī)發(fā)展前景，業(yè)界的基本共識(shí)是“四更”——更安全、更綠色、更經(jīng)濟(jì)、更舒適，或稱(chēng)四性（安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性）指標(biāo)持續(xù)提升。而對(duì)于民用客機(jī)的“快”和“大”，我的看法是“快而無(wú)極，大需有度”。此外，與民用客機(jī)發(fā)展密切相關(guān)，但超出飛機(jī)自身的“三化”（便捷化、智能化、個(gè)性化）趨向也應(yīng)高度關(guān)注。

一、關(guān)于“四性”

1. 安全性

安全性從來(lái)都是民用客機(jī)的生命線(xiàn)。經(jīng)過(guò)百年進(jìn)步，民用客機(jī)的安全性已經(jīng)達(dá)到很高的水準(zhǔn)。民機(jī)安全性最重要的一條適航要求，就是“每一個(gè)因系統(tǒng)故障造成的飛機(jī)災(zāi)難性事件每飛行小時(shí)發(fā)生的平均概率低于10的負(fù)9 次方”。但近年來(lái)發(fā)生的一系列悲劇事件，如馬航的一次失蹤和一次被擊落，德國(guó)一起駕駛員駕機(jī)自殺，波音737MAX 的兩次同樣原因造成的空難以及2022年我國(guó)東方航空公司那起機(jī)上123名乘客和9名機(jī)組人員全部遇難（原因至今尚未公布）的事故，將民用客機(jī)的安全性問(wèn)題提升到新的認(rèn)知高度。安全性問(wèn)題將在以下兩個(gè)方面對(duì)民航客機(jī)提出新的挑戰(zhàn)：

（1）飛機(jī)自身的系統(tǒng)問(wèn)題——決不能讓737MAX這樣的故障重演，從設(shè)計(jì)到適航審定，都需要更加嚴(yán)格和富有成效；在把新技術(shù)引入系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在安全性方面的負(fù)面影響必須充分評(píng)估和防范。

（2）航空運(yùn)輸系統(tǒng)要有防范各種人為因素造成事故的全面能力。從飛機(jī)自身對(duì)于非正常操作的禁止，到空中交通管理更加智能、提供足夠聰明和無(wú)縫的駕駛飛行管理與服務(wù)，直至出現(xiàn)如新冠疫情這樣的傳染病時(shí)如何讓乘客在機(jī)艙內(nèi)感染的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，都成為安全性面臨的新任務(wù)。

2. 環(huán)保性

因兩次重大空難在全球停飛的波音737MAX，在消除了安全隱患后已陸續(xù)在各國(guó)實(shí)現(xiàn)復(fù)飛。

空客公司于2020年公布了全球首款零排放民用飛機(jī)的3種概念機(jī)型ZEROe，其中一款采用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，一款采用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，一款采用“翼身融合”的設(shè)計(jì)方案。它們均由改進(jìn)的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，以淘汰那些老舊的對(duì)環(huán)境不太友好的飛機(jī)。新機(jī)型計(jì)劃于2035 年投入使用。

美國(guó)航空航天局（NASA）正在開(kāi)發(fā)的“蘇珊”亞聲速混合電動(dòng)客機(jī)設(shè)計(jì)獨(dú)特，左右兩個(gè)機(jī)翼下方各有一排呈陣列狀分布的小型電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)身末端的發(fā)動(dòng)機(jī)艙裝有一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，除直接為飛機(jī)提供推力外，它還能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為機(jī)翼下的電機(jī)供電。通過(guò)這種分布式推進(jìn)設(shè)計(jì)，“蘇珊”有望保持與現(xiàn)代噴氣式客機(jī)相同的速度和航程，將單位座位的燃料消耗減少約50%，同時(shí)改善飛機(jī)的起降性能，并減少噪聲。

環(huán)保性的要求越來(lái)越高，并成為強(qiáng)制性指標(biāo)，綠色航空成為準(zhǔn)入門(mén)檻。2020年國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）發(fā)布了《2050年飛機(jī)技術(shù)路線(xiàn)圖研究》報(bào)告，提出到2050 年航空運(yùn)輸業(yè)二氧化碳排放總量比2005 年減少50%，氮氧化物排放減少90%，噪聲減少65%；飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的移動(dòng)采用燃料電池驅(qū)動(dòng)。自2009 年航空業(yè)提出實(shí)現(xiàn)高級(jí)別氣候行動(dòng)計(jì)劃以來(lái)，已推出多個(gè)實(shí)現(xiàn)民航碳排放目標(biāo)的技術(shù)解決方案。新能源飛機(jī)成為民用客機(jī)的主要方向之一，通過(guò)采用多種能源組合實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行與節(jié)能減排，是航空運(yùn)輸業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)?？湛凸驹?020 年發(fā)布的ZEROe 計(jì)劃，采用改良的飛機(jī)構(gòu)型和動(dòng)力形式，計(jì)劃2035年開(kāi)始將幾種以氫為主要能源的商用飛機(jī)陸續(xù)投入運(yùn)營(yíng)，有可能在全球首開(kāi)零排放商用飛機(jī)之先河。

3. 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性包含兩個(gè)方面的含義，一是要使運(yùn)營(yíng)民用客機(jī)的商業(yè)公司有錢(qián)可賺，重點(diǎn)是降低飛機(jī)的燃油消耗或其他能源成本，使單機(jī)成本和直接運(yùn)營(yíng)成本盡可能降低，為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)更高的收益；二是制造商要能按預(yù)期獲得市場(chǎng)回報(bào)，得以步入良性循環(huán)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，研制一種大型干線(xiàn)客機(jī)，要花20_50億美元，需耗用8_10年時(shí)間，盈虧平衡點(diǎn)一般不低于300 架。使制造商在可預(yù)測(cè)的銷(xiāo)售量之下獲得盈利，是民用客機(jī)創(chuàng)新發(fā)展的活力來(lái)源之一。經(jīng)濟(jì)性與飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)性能關(guān)聯(lián)密切，提高經(jīng)濟(jì)性的主要技術(shù)方向是革新能源類(lèi)型和動(dòng)力樣式；持續(xù)進(jìn)行新布局研究，提高氣動(dòng)效率，以及引入智能制造技術(shù)，使生產(chǎn)效率更高，也是重要方向。

4. 舒適性

舒適性雖說(shuō)是乘客個(gè)體的體驗(yàn)與感受，但普遍的舒適性要求仍是客觀和必要的，主要依靠人性化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？团摽臻g的設(shè)計(jì)、客艙環(huán)境的設(shè)計(jì)、旅途中（特別是長(zhǎng)途旅行）所能享受的機(jī)上服務(wù)，是直接面向乘客的基本內(nèi)容，而通過(guò)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和全機(jī)設(shè)計(jì)，降低振動(dòng)和噪聲，是更為重要的內(nèi)容。

二、關(guān)于“三化”

空客公司多年前就曾發(fā)布過(guò)一種采用透明機(jī)艙的未來(lái)概念客機(jī)，其設(shè)計(jì)靈感來(lái)自大自然，讓乘客可以享受全新的旅行體驗(yàn)。

除“四性”外，“便捷化”“智能化”“個(gè)性化”也成為趨勢(shì)性要求，但這“三化”的共同點(diǎn)是超越民用客機(jī)自身的創(chuàng)新發(fā)展，而與航空運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，或?yàn)槎囗?xiàng)先進(jìn)技術(shù)在民用客機(jī)設(shè)計(jì)、制造和使用中的深入應(yīng)用。

1. 便捷化

包含快捷和便利兩方面內(nèi)容。航空運(yùn)輸系統(tǒng)需要不斷提供更高的飛行和運(yùn)行速度，以滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的高節(jié)奏、快速化需求；當(dāng)然，飛行器的速度也必將持續(xù)提高，超聲速客機(jī)即將歸來(lái)。開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的商用超聲速運(yùn)輸系統(tǒng)，將改變橫跨大陸和洲際間運(yùn)輸?shù)挠螒蛞?guī)則，在實(shí)現(xiàn)快速化的努力中具有突破性意義。航空運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)該納入地區(qū)或國(guó)家立體交通大系統(tǒng)，圍繞客戶(hù)“門(mén)到門(mén)”而非“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”進(jìn)行“便利性”的規(guī)劃和評(píng)價(jià)，以確保所有客戶(hù)全程旅行時(shí)間最短、接駁最為順暢。

2. 智能化

近年來(lái)，人工智能（AI）技術(shù)突飛猛進(jìn)，其有望在以下兩方面直接推動(dòng)民用客機(jī)發(fā)展。第一，在民機(jī)開(kāi)發(fā)中，更多地應(yīng)用AI 技術(shù)；AI 雖不構(gòu)成獨(dú)立的民機(jī)使用目標(biāo)，但多方面地體現(xiàn)在“四性”的實(shí)現(xiàn)中。智能制造將大大優(yōu)化資源配置，提高自動(dòng)化程度，達(dá)到降（成）本增（產(chǎn)）能提質(zhì)（量）的效果；將AI 技術(shù)嵌入更先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)，變革人機(jī)界面、改善飛行方式，其應(yīng)用前景值得期待。第二，將AI 技術(shù)用于革新空中交通管理系統(tǒng)，以顯著提升運(yùn)行效率和服務(wù)水平。

3. 個(gè)性化

未來(lái)民用客機(jī)的發(fā)展將呈現(xiàn)一定程度的以“定制”為主要特點(diǎn)的“個(gè)性化”，提供充分滿(mǎn)足用戶(hù)需要的產(chǎn)品和靈活的服務(wù)。當(dāng)前在談到“個(gè)性化”時(shí)，更多地體現(xiàn)在各類(lèi)通用航空器，而非傳統(tǒng)分類(lèi)里的民用客機(jī)或商用運(yùn)輸飛機(jī)，如私人/ 公務(wù)飛機(jī)、與未來(lái)城市交通系統(tǒng)相伴的垂直起降飛機(jī)和應(yīng)急救援飛行器等的發(fā)展中，但民用客機(jī)的未來(lái)發(fā)展也與此相關(guān)。而如果討論整個(gè)民機(jī)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展，個(gè)性化/ 定制性則是必須考慮的重要趨向之一。

三、關(guān)于“快”和“大”

對(duì)于民用客機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，更大的關(guān)切在于速度和大小（幾何尺寸）?！翱臁焙汀按蟆睅缀跏呛娇瞻l(fā)展的永恒議題，對(duì)于民用客機(jī)更為具體和迫切。筆者的看法如本文標(biāo)題，快而無(wú)極，大需有度。對(duì)于速度的追求沒(méi)有極限，只要技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，不悖逆作為前提的“五性”要求，飛行自然是越快越好，誠(chéng)如前面談及“便捷性”時(shí)的超聲速客機(jī)歸來(lái)；未來(lái)也許還會(huì)有更高速度的民用客機(jī)。

上海峰飛航空科技推出的eVTOL飛行汽車(chē)V1500M，這種未來(lái)城市交通系統(tǒng)將為人們提供更靈活與個(gè)性化的出行選擇。

這款X-48B翼身融合概念機(jī)一直被盛傳是波音797的驗(yàn)證機(jī)，其寬大的翼身融合體內(nèi)可布置更多的座位，如能成真，絕對(duì)堪稱(chēng)客機(jī)中的巨無(wú)霸。

而說(shuō)到“大”，到底造多大的客機(jī)，主要不是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性問(wèn)題，而是是否有這樣的真實(shí)需求，這就是“度”的含義。如果只說(shuō)“大”，只說(shuō)載重，最大的運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)安-225可以載運(yùn)2000名乘客；據(jù)傳的波音797 翼身融合概念機(jī)可搭載千名以上乘客。而現(xiàn)實(shí)中全球最大的兩款民機(jī)—— 空客A380和波音747先后關(guān)閉生產(chǎn)線(xiàn)，則說(shuō)明比“大”更重要的是適用性，是商業(yè)成功。展望未來(lái)一二十年，把“快”和“大”結(jié)合起來(lái)的最好機(jī)型仍是雙發(fā)、單層、寬體的高亞聲速/ 超聲速客機(jī)，促其進(jìn)步的要素是能源/ 動(dòng)力、綠色與經(jīng)濟(jì)要求的高水平滿(mǎn)足。

四、產(chǎn)品發(fā)展動(dòng)向

綜合上述認(rèn)知，未來(lái)民用客機(jī)產(chǎn)品發(fā)展的主要?jiǎng)酉驗(yàn)椋?/p>

1. 高效亞聲速干線(xiàn)客機(jī)

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)步和動(dòng)力電氣化、新構(gòu)型（翼身融合、發(fā)動(dòng)機(jī)嵌入/ 半嵌入機(jī)身、支撐翼、連接翼等）的研發(fā)與應(yīng)用、先進(jìn)技術(shù)（材料、結(jié)構(gòu)與制造等）的采用，實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性效率提升，以更低成本獲得比現(xiàn)役飛機(jī)更高的經(jīng)濟(jì)效益，形成不同座級(jí)（100 _ 200、200 _ 300 及以上）與不同航程的多樣化組合。

2. 噴氣化支線(xiàn)飛機(jī)

支線(xiàn)飛機(jī)的主流向“噴氣化”和“大座級(jí)”發(fā)展，與低端干線(xiàn)飛機(jī)無(wú)縫銜接。并將率先采用新能源、基于大功率儲(chǔ)能電池的新動(dòng)力裝置，而獲得經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性與便捷性的綜合性能提升。

3. 超聲速客機(jī)

新一代超聲速民用飛機(jī)技術(shù)日趨成熟，聲爆/ 噪聲控制、結(jié)構(gòu)重量控制、飛行控制等技術(shù)全面提高，有望在公務(wù)機(jī)上得以集中采用，進(jìn)而推出遠(yuǎn)勝于“協(xié)和號(hào)”的超聲速客機(jī)，以滿(mǎn)足把洲際飛行縮減到5 小時(shí)上下的快速化要求。

五、技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展方向

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，基于信息技術(shù)的數(shù)字化/ 智能化和基于綠色低碳化技術(shù)的新能源/ 新動(dòng)力兩大技術(shù)集群，突飛猛進(jìn)并融合發(fā)展，成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，也為未來(lái)民用客機(jī)發(fā)展注入了強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力。未來(lái)民用客機(jī)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的主要方向?qū)⒃谶@兩個(gè)方面展開(kāi)。具體包括：

1. 民用客機(jī)的數(shù)字化/ 智能化技術(shù)研究與應(yīng)用

這種跨聲速桁架支撐機(jī)翼布局的客機(jī)構(gòu)型已經(jīng)完成了一系列風(fēng)洞試驗(yàn)，桁架結(jié)構(gòu)使機(jī)翼在超高展弦比的情況下也擁有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)還能顯著減小阻力與振動(dòng)。

美國(guó)Boom公司計(jì)劃研制一種新型超聲速客機(jī)，速度可達(dá)1451英里/ 小時(shí)，飛行高度約6 萬(wàn)英尺，是目前普通航班的兩倍。

2022年12月29日，中國(guó)商飛正式向市場(chǎng)交付第100架ARJ21飛機(jī)。自2016年6月28日成功首航以來(lái)，ARJ21已開(kāi)通航線(xiàn)316條、通航城市118座、安全載客近 600萬(wàn)人次。這張照片拍攝于2022年8月10日，參加全國(guó)青少年無(wú)人機(jī)大賽的部分北京選手和工作人員與ARJ21 總設(shè)計(jì)師陳勇（后排左6）合影。

掌握并綜合運(yùn)用先進(jìn)航電、自動(dòng)控制、人工智能、北斗導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)新成果，提升飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維、服務(wù)等全生命周期的數(shù)字化與智能化水平，加強(qiáng)系統(tǒng)安全保障能力，降低成本、提高效率。

2. 民用客機(jī)的新能源應(yīng)用和低碳化動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)

持續(xù)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的電氣化、電力推進(jìn)、混合動(dòng)力、氫能源、替代燃料等新能源/ 新動(dòng)力技術(shù)，推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證，加快在民用客機(jī)領(lǐng)域的多方位應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)綠色航空目標(biāo)。

3. 更加安全高效的民用航空運(yùn)輸系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

綜合運(yùn)用數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、個(gè)性化、系統(tǒng)工程等手段與工具，發(fā)展新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)，提高運(yùn)行效率與監(jiān)管水平，提升運(yùn)輸能力和服務(wù)質(zhì)量。

4. 跨領(lǐng)域、多專(zhuān)業(yè)新技術(shù)在民用客機(jī)的融合應(yīng)用

探索先進(jìn)材料、仿生、量子、腦機(jī)接口等新技術(shù)在民機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，開(kāi)發(fā)適用于民航運(yùn)輸系統(tǒng)的建模與仿真、分析工具與測(cè)量等適用技術(shù)，增強(qiáng)多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)能力，助推新型民用客機(jī)及其推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展。

我國(guó)自主研制渦扇民用客機(jī)的事業(yè)在經(jīng)歷坎坷曲折之后，終于上升為國(guó)家意志，并取得重大歷史性進(jìn)步。ARJ21渦扇支線(xiàn)客機(jī)已累計(jì)交付100架，載運(yùn)乘客逾560萬(wàn)人次；C919渦扇干線(xiàn)客機(jī)于2022年12月交付首架，即將展開(kāi)商業(yè)運(yùn)營(yíng)。但總體來(lái)看，我國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)仍十分薄弱，工程經(jīng)驗(yàn)尚待積累，自主保障能力亟須加強(qiáng)。面向未來(lái)，中國(guó)民機(jī)市場(chǎng)巨大，國(guó)家稟賦優(yōu)良，只要堅(jiān)定意志，務(wù)實(shí)苦干，必將取得新的進(jìn)步，在我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)中盡早補(bǔ)齊補(bǔ)強(qiáng)民機(jī)板塊，最終實(shí)現(xiàn)航空強(qiáng)國(guó)的偉大目標(biāo)。