21世紀初民用運輸機發展趨勢

吳戈

隨著世紀的交替，民用運輸機也呈現出嶄新的局面。對于大型民用客機的研制仍然是波音和空客兩強為主，但在支線機的研制上，多頭爭霸的局面已經形成。在技術上，現有機型日臻完美，超音速客機和超大型飛機的前景初露端倪，亞音速運輸機將有重大突破，飛機運行方式也將發生革命性變化。但是，由于這一高技術領域固有的高投入和高風險，其整體發展必然是漸進式的，而不會是跳躍式的突變。

整體水平將漸進提高

對于未來的民用運輸機和航空運輸業的發展，各大飛機公司和研究機構都在投入人力物力進行研究，其中花力氣最大的可能要數美國國家航空航天局（NASA）。近來在一些專業報刊中，經常可看到這類研究報告和文章，其中有不少是出自于NASA的研究結果。有人認為，在未來20年內，航空運輸業仍將向著更安全、更便宜、更利于環保、更能促進經濟的方向發展。具體目標NASA認為：飛行安全性提高10倍，飛行成本降低50％，海外旅行時間減少一半，大大降低飛機噪聲和廢氣排放；在新機型研制上，從概念提出到技術驗證，其周期可縮短一半……

然而在實現途徑上，至少21世紀初，民機的發展方向，其主題仍將是漸進發展和降低成本，而不是完全的革新和在性能上的根本突破。雖然也會出現一些滿足新興市場的新機型，但制造商的重點可能不是推出創造性的新設計，以及用更少的燃料飛得更快、更高、更遠上，而是更為重視充分挖掘現有機型的潛力（比如發展增程型或加長型），降低生產成本和飛機噪聲對環境的影響。

在民機的發展上，新的航空電子設備、結構材料、生產工藝、數據通信、運營理念、環境要求和市場需求的變化等都將起到決定作用，但這種種因素將怎樣出現，怎樣產生影響是很難確切預測的。尤其是目前，飛機制造商的長遠計劃、市場研究和發展戰略，與競爭激烈的空運業本身固有的壓力與需求并不一致。因此，雖然在50年代，未來學家就預計2000年將出現載客千人、數小時即可完成遠距飛行的超音速航班客機。但是，2000年已經到來，民機雖不斷發展，其外形和總體性能并未有根本性變化，真正能載客千人、可超音速飛行、能根據需要改變外形的飛機，可能還要20年才能投入使用。近期，真正的巨變將是借導航和通信的革命，而使飛機的運行面目一新。

另外，從目前有洲際航程的大型飛機的研制成本來看，不管是軍用運輸機還是民用運輸機都大得驚人，不得不走聯合發展和一機多用道路。如性能極為優秀的C－17軍用運輸機，現在也在開拓民用市場。要想取得民用市場的份額，其成本就必須降到民用經營者能接受的程度。美軍的C－5B和C－130即使還能服役20年，也都需要考慮改型或替代，而今后的研制生產費用，已不可能完全由國防預算負擔，必將采取軍民雙方合作的方式發展。

近年來，經常可聽到人們在談論超音速運輸機（SST）和超大型飛機（VLA）的話題。在這方面不光停留在口頭上，而且有行動，歐美兩大民機研制集團都已提出了自己的設想和方案。在支線客機的研制上，已經呈現出群雄爭霸的局面，合作研制、共同開發已成為一種趨勢。但是，從總體上來看，民用運輸機的發展仍將是漸進式的。

亞音速運輸機將有重大突破

其實，現有亞音速運輸機技術遠未達到盡善盡美。波音和空客兩大民機研制生產集團都很清楚，只有增加研究發展投資，促進航空科研的突破，才能降低飛機采購和運營成本，贏得21世紀的民用航空市場。

在美國，這一高風險的研究領域主要依靠NASA和蘭利等專業機構。NASA多年來在超臨界翼型、翼梢小翼和槳扇發動機等方面的研究成果，為改善民機性能，提高空運安全性、可靠性、效率和速度發揮了巨大作用。從1994年開始，蘭利研究中心啟動了“先進亞音速技術”（AST）項目，原定于1999年結束。其目的是將促使這一領域在下個20年出現重大突破，從而使民用運輸機的制造和效率發生革命性的變化。更重要的是，它將促使當前民用和軍用航空工業拋開常規思維，向飛機設計制造完全一體化的方式轉變。

按照他們的預計，今后20年，在民機研制生產上的技術進步，主要將集中表現在下面兩個領域：

制造成本最低化

實現這一目標的途徑首先是復合材料。全復合材料機翼是一個潛在的技術突破重點，對減小機體重量和復雜性有重大意義。NASA和波音公司正合作研究一種采用縫合/注入技術，用碳纖維復合材料制成的基本機翼結構。這種縫合/注入技術用自動裝置分配的合成線，將先鋪設好的預浸漬碳纖維縫合起來，再注入樹脂。目前波音公司已試制了一個12米的半翼展翼段結構，正在蘭利研究中心進行一系列結構強度試驗（見下圖）。

由于擺脫了鉚接金屬構件的舊方法，完全實現了制造過程自動化。預計此方法將使制造成本比鋁制全金屬機翼降低20％，機翼重量也比金屬組裝機翼減輕25％，部件數量大大減少，而且極其耐久、耐損和易修復。波音公司對其在未來運輸機上的應用很感興趣。從目前進展看，15年內這種全復合材料機翼就可以應用到飛機上。這種方法還可考慮用于制造艙門、副翼等大部件，甚至用于未來超大型飛機的制造上。

美國空軍正在研究的一種先進固態碳泡沫（SCF）材料。這種新材料將在飛機的熱防護和結構方面具有巨大的應用潛力。由于SCF材料的密度可變化，在各個方向都具有相同的特性，而不象許多常規復合材料一樣只在一個方向有相同特性，這樣就不需模具和壓力就能加工，從而大大降低制造成本。高密度狀態的SCF能用于機翼和機身等主要部件的結構加固，其熱傳導性能可適應大范圍的溫度，因而在飛機結構上可廣泛應用。

另外，靈巧機翼結構和系統也大有用武之地，美國萊特－帕特森空軍基地/研究實驗室正與國防先進研究計劃局（DARPA）和諾思羅普－格魯曼公司合作研究，他們的研究目標是通過在機翼上使用形狀記憶合金（SMA）來改善其氣動效率。基于SMA的無鉸可扭曲性能，可利用其翼面進行控制。經風洞試驗表明，這種無鉸翼面具有一系列氣動優點，如滾轉力矩提高10％至15％，機翼扭曲4度就可產生10％的升力增益等。盡管采用這種技術會增加重量和復雜性，但研究人員對其前景仍很樂觀，估計20年后就能用于運輸機。

在計算流體力學（CFD）方面，除降低風洞試驗成本外，波音公司還試圖通過在虛擬設計環境中引入CFD模型，把機體設計周期從數年降到數月，但目前要精確預測高升力系統和機翼上復雜的流動現象，還需要作大量工作。如果實現，就能設計出更小、更輕、更高效、噪聲更低的高升力系統。

通過減少廢氣和降低噪聲，進一步改善民機的環保性能

在發動機的噪聲控制上，下一代運輸機必須在降噪上取得突破，才能滿足未來機場的要求。NASA的目標是5年內將民機的越頂噪聲降低10分貝，但重大突破可能將出現在下一代而不是現有飛機上。

關于控制發動機噪聲的研究，關鍵是低壓風扇葉片與壓縮機定子的合理設計，以及如何降低噴管分離流的噪聲。這些方面如能得到改善，就可使飛機在起飛和爬升時的風扇噪聲降低3分貝。NASA還在加強對作為主要噪聲源的副翼、起落架和起落架艙門等產生的渦進行研究。

在發動機廢氣排放方面，目標是在10年內使廢氣排放量減少3倍，25年內減少5倍。NASA的研究重點在改進噴嘴和燃燒室的設計上。劉易斯研究中心對這些設計的綜合測試可望不久結束，并可能出現突破性進展。對于離心式噴嘴的高壓燃燒技術的試驗是很成功的，但這種技術要達到應用的程度，可能還要15～20年。該中心還打算開展一項高效發動機技術研究計劃，可望能在二氧化碳、煙霧和未燃盡碳氫化合物等排放物不增加的情況下，氮化合物減少50％。■