近日,西北工业大学研制的翼身融合大型客机缩比试验机成功试飞的新闻刷屏。该试验机采用翼身融合外形,机身宽扁,与机翼平滑过渡,客舱位于微微鼓起的机身下方。作为关键设计技术的摸底验证试飞,进行了起降、通场、规划航线自主飞行等科目测试,圆满完成了预定计划。
翼身融合布局的民用客机,具有气动效率高、结构重量轻、装载空间大、节能、环保等优点,有望满足未来民机发展的多方面要求,可能成为下一代宽体客机的首选构型。
对于未来民用客机发展前景,业界的基本共识是“四更”——更安全、更绿色、更经济、更舒适,或称四性(安全性、环保性、经济性、舒适性)指标持续提升。而对于民用客机的“快”和“大”,我的看法是“快而无极,大需有度”。此外,与民用客机发展密切相关,但超出飞机自身的“三化”(便捷化、智能化、个性化)趋向也应高度关注。
(1)飞机自身的系统问题。决不能让737MAX这样的故障重演,从设计到适航审定,都需要更加严格和富有成效;在把新技术引入系统设计时,在安全性方面的负面影响必须充分评估和防范。
(2)航空运输系统要有防范各种人为因素造成事故的全面能力。从飞机自身对于非正常操作的禁止,到空中交通管理更加智能、提供足够聪明和无缝的飞行管理与服务,直至出现如新冠疫情这样的传染病时如何让乘客在机舱内感染的风险降到最低,都成为安全性面临的新任务。
2. 环保性
环保性的要求越来越高,并成为强制性指标,绿色航空已成为准入门槛。2020年国际航空运输协会(IATA)发布了《2050年飞机技术路线图研究》报告,提出到2050年航空运输业二氧化碳排放总量要比2005年减少50%,氮氧化物排放减少90%,噪声减少65%;飞机在机场的移动采用燃料电池驱动。自2009年航空业提出实现高级别气候行动计划以来,已推出多个实现民航碳排放目标的技术解决方案。
新能源飞机成为民用客机的主要方向之一,通过采用多种能源组合实现高效运行与节能减排,是航空运输业的重要发展趋势。空客公司在2020年发布的ZEROe计划,采用改良的飞机构型和动力形式,计划2035年开始将几种以氢为主要能源的商用飞机陆续投入运营,有可能在全球首开零排放商用飞机之先河。
3. 经济性
经济性包含两方面含义,一是要使运营民用客机的商业公司有钱可赚,重点是降低飞机的燃油消耗或其他能源成本,使单机成本和直接运营成本尽可能降低,为运营商带来更高的收益;二是制造商要能按预期获得市场回报,得以步入良性循环。
据统计,研制一种大型干线客机,要花20-50亿美元,需耗用8-10年时间,盈亏平衡点一般不低于300架。使制造商在可预测的销售量之下获得盈利,是民用客机创新发展的活力来源之一。
经济性与飞机推进系统性能关联密切,提高经济性的主要技术方向是革新能源类型和动力样式;持续进行新布局研究,提高气动效率;以及引入智能制造技术,使生产效率更高。
4. 舒适性
1. 便捷化
包含快捷和便利两方面内容。航空运输系统需要不断提供更高的飞行和运行速度,以满足社会经济生活的高节奏、快速化需求;当然,飞行器的速度也必将持续提高,超声速客机即将归来。开发高效、经济、环保的商用超声速运输系统,将改变横跨大陆和洲际间运输的游戏规则,在实现快速化的努力中具有突破性意义。
航空运输系统应该纳入地区或国家立体交通大系统,围绕客户“门到门”而非“点对点”进行“便利性”的规划和评价,以确保所有客户全程旅行时间最短、接驳最为顺畅。
2. 智能化
近年来,人工智能(AI)技术突飞猛进,其有望在以下两方面直接推动民用客机发展。
第一,在民机开发中,更多地应用AI技术;AI虽不构成独立的民机使用目标,但多方面地体现在“四性”的实现中。智能制造将大大优化资源配置,提高自动化程度,达到降(成)本增(产)能提质(量)的效果;将AI技术嵌入更先进的飞行控制系统,变革人机界面,改善飞行方式,其应用前景值得期待。
第二,将AI技术用于革新空中交通管理系统,以显著提升运行效率和服务水平。
3. 个性化
未来民用客机的发展将呈现一定程度的以“定制”为主要特点的“个性化”,提供充分满足用户需要的产品和灵活的服务。
当前,在谈到“个性化”时,更多地体现在各类通用航空器,而非传统分类里的民用客机或商用运输飞机,如私人/公务飞机、与未来城市交通系统相伴的垂直起降航空器(特别是eVTOL)和应急救援飞行器等的发展中,但民用客机的未来发展也与此相关。
而如果讨论整个民机领域的未来发展,个性化/定制性则是必须考虑的重要趋向之一。
对于民用客机未来发展趋势,更持久的关切在于速度和大小(几何尺寸)。“快”和“大”几乎是航空发展的永恒议题,对于民用客机更为具体和迫切。
我的看法如本文标题所示,快而无极,大需有度。对于速度的追求没有极限,只要技术上可以实现,不悖逆作为前提的“五性”要求,飞行自然是越快越好,诚如前面谈及“便捷性”时的超声速客机归来;未来也许还会有更高速度的民用客机。
而说到“大”,到底造多大的客机,主要不是技术实现的可能性问题,而是是否有这样的真实需求,这就是“度”的含义。如果只说“大”,只说载重,最大的运输类飞机安-225可以载运2000名乘客;据传的波音797翼身融合概念机可搭载千名以上乘客。
现实中,全球最大的两款民用客机——空客A380和波音747,已先后关闭生产线,则说明比“大”更重要的是适用性,是商业成功。
展望未来一二十年,把“快”和“大”结合起来的最好机型仍是双发、单层、宽体的高亚声速/超声速客机,促其进步的要素是能源/动力、绿色与经济要求的高水平满足。
2. 喷气化支线飞机
支线飞机的主流向“喷气化”和“大座级”发展,与低端干线飞机无缝衔接;并将率先采用新能源、基于大功率储能电池的新动力装置,而获得经济性、环保性与便捷性的综合性能提升。
3. 超声速客机
新一代超声速民用飞机技术日趋成熟,声爆/噪声控制、结构重量控制、飞行控制等技术全面提高,有望在公务机上得以集中采用,进而推出远胜于“协和号”的超声速客机,以满足把洲际飞行缩减到5小时上下的快速化要求。
1. 民用客机的数字化/智能化技术研究与应用
掌握并综合运用先进航电、自动控制、人工智能、北斗导航、大数据、云计算等信息技术新成果,提升飞机设计、制造、运维、服务等全生命周期的数字化与智能化水平,加强系统安全保障能力,降低成本、提高效率。
2. 民用客机的新能源应用和低碳化动力系统研发
持续开发先进的电气化、电力推进、混合动力、氢能源、替代燃料等新能源/新动力技术,推进技术验证,加快在民用客机领域的多方位应用,实现绿色航空目标。
3. 更加安全高效的民用航空运输系统开发
综合运用数字化、智能化、自动化、个性化、系统工程等手段与工具,发展新一代航空运输系统,提高运行效率与监管水平,提升运输能力和服务质量。
4. 跨领域、多专业新技术在民用客机的融合应用
探索先进材料、仿生、量子、脑机接口等新技术在民机领域应用的可能性,开发适用于民航运输系统的建模与仿真、分析工具与测量等适用技术,增强多学科综合设计能力,助推新型民用客机及其推进系统的创新发展。
我国自主研制涡扇民用客机的事业在经历坎坷曲折之后,终于上升为国家意志,并取得重大历史性进步。ARJ21涡扇支线客机已累计交付100架,载运乘客近600万人次;C919涡扇干线客机于2022年12月交付首架,即将展开商业运营。
但总体来看,我国民机产业的基础仍十分薄弱,工程经验尚待积累,自主保障能力亟须加强。面向未来,中国民机市场巨大,国家禀赋优良,只要坚定意志,务实苦干,必将取得新的进步,在我国航空产业中尽早补齐补强民机板块,最终实现航空强国的伟大目标。
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