那些令人期待的新技術

董幗雄

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

回顧航空業一百多年的發展歷程，從最初使用帆布與木材制造飛機，到如今大量使用復合材料的新一代飛機，再到未來采用全新布局的下一代飛機，創新精神讓航空業將越來越多的不可能變成了可能。雖然現在看來，很多創新技術從實驗室走到生產線還需要很長的時間，但它們代表的是民機制造業的未來。

波音進入電動飛機市場

在100多年的發展歷程中，波音將絕大部分精力用在研發大型、遠程商用飛機領域。如今，波音開始著手進入之前不太關注的小型支線飛機市場。

實際上，擁有百年歷史的波音，其研制的首款主流客機是12座的Model80三發飛機。在2000年左右，波音曾有過重回支線飛機市場的念頭。這一次，波音將注意力放在了利用新能源與先進技術生產運營成本更低的小型飛機。

波音之所以想要涉足這個領域，是因為目前市場上20～50座級的通勤飛機主要是一些老舊的渦槳飛機，其中很多已經停產。2013年，安柏瑞德航空航天大學的一項調查顯示，預計到2030年，全球大約需要8000架這一座級的支線飛機，運營商迫切需要性能和運營效率更高的替代產品。

2017年，波音正式將設想變為行動。2017年4月，波音宣布投資位于華盛頓的Zunum公司，支持該公司研發12座的混合電推進通勤飛機。這一新機型預計在2022年左右完成取證。按照分工，Zunum公司將負責研發飛機的動力系統，波音負責機體和系統集成工作。

隨后，波音又宣布將在2020年代早期開始一項小型混合電推進X驗證機的測試，并將其作為公司“環保驗證機（EcoDemonstrator）”技術驗證平臺系列的一部分。如果該驗證機研制成功，將為波音開啟一扇通往新一代12～50座級小型支線客機市場的大門。

根據公開信息，Zunum公司正在研制的飛機大小與皮拉圖斯公司的PC-12相當。飛機最大起飛重量低于12500磅（5670千克），最大航程超過700英里（1126公里），巡航速度達到340英里/小時（547公里/小時）。飛機上有一個1兆瓦的混合電推進系統，使用燃油的500千瓦發電機、充電電池和電驅動雙涵道風扇，可以按照最新修訂的FAR23部進行適航取證。

根據Zunum公司的設計，這款飛機的電池占全機最大起飛重量不超過20%，飛行過程中僅攜帶800磅（363千克）燃油，而同等大小的PC-12飛機要攜帶2700磅（1225千克）燃油。值得一提的是，這款飛機所用的電池以模塊形式安裝在機翼內，在飛機維護過程中可以進行更換，而這也是Zunum公司的一項核心技術。運營商在飛機進行C檢的過程中還可以更換電線，提高電壓。Zunum公司的設想是，允許運營商在兩次飛行之間給電池充電或者更換電池，節省停機時間。

Zunum公司的目標是將運營成本，包括燃油、電力和電池降到每座英里8美分，或者每小時250美元。與如今在航線上運營的PC-12和比奇空中國王相比，Zunum公司研制的新飛機的運營成本降低了3～5倍。根據計劃，Zunum公司將在2018年開始這款飛機的初步設計評審，2019年開始關鍵設計評審。

如果Zunum公司基于高功率密度電池的混合動力系統在商業上具有可行性，波音下一步可能會將這些技術集成到X驗證機上進行進一步飛行驗證。波音的終極目標是生產一款運營成本比現役同等大小飛機低80%的混合電推進支線飛機。

超聲速客機再現藍天

2017年年末，日本航空公司宣布與XB-1超聲速飛機的制造商博姆技術公司簽訂戰略合作協議，在簽訂20架超聲速客機可選訂單的同時，投資1000萬美元用于這款飛機的研發。這是目前所有在研超聲速客機項目中，唯一得到航空公司“真金白銀”投入的項目。這款超聲速飛機的目錄價格為2億美元，目前已經收到包括日本航空、英國維珍航空在內的76架訂單，可見超聲速客機確實存在市場需求。

XB-1是博姆技術公司計劃研制的載客55人、巡航速度Ma2.2的超聲速客機的1：3縮比驗證機。XB-1驗證機的實物模型于2016年11月首次展出。該驗證機為2座，最大起飛重量4.99噸，長20.7米，翼展5.2米，采用三發三角翼布局，發動機為無加力燃燒室的、可變進氣口和噴管的GE公司J85-21發動機。

博姆技術公司最初的設計方案是采用J85系列發動機的民用型號——CJ610，但考慮到軍用型號J85-21渦噴發動機具有更大的推力（單臺推力1588千克），最終改用后者。博姆技術公司希望，利用現有結構、先進氣動和推進技術研制一款成本可控的超聲速客機，使人們能夠以現在民航飛機公務艙票價實現超聲速飛行。根據設計，這款超聲速飛機的速度要比上世紀60年代的“協和”超聲速飛機快10%。

作為這個項目的戰略合作伙伴，日本航空對超聲速客機的追求由來已久。早在1963年，日本航空就曾訂購過3架“協和”飛機，后來由于受到石油危機的影響而不得不取消訂單。此后，日本航空也曾訂購過8架波音2707超聲速客機，但該項目最終被取消。

長期以來，日本政府高度關注超聲速客機技術的發展，投入了不少研發資金。日本宇航院（JAXA）目前正在進行超聲速和高超聲速客機的概念研究。根據有關資料，JAXA正在研發一種低聲爆、巡航速度Ma1.6、航程3500海里的超聲速客機，預計2030年左右投入運營。

如今，距離“協和”飛機的研制已經過去了幾十年，一些此前無法實現的性能指標，隨著新材料和新技術的涌現，將有望逐一實現。過去，由于“協和”飛機機身采用了金屬材料，使得飛機的巡航速度難以超越Ma2.0。如今，博姆技術公司通過采用輕質復合材料，輕而易舉地解決了這一難題。機身主結構使用的碳纖維環氧樹脂復合材料在350華氏度（177攝氏度）固化，可在250華氏度（121攝氏度）下使用，這對于Ma2.2巡航速度下大面積機體表面已經綽綽有余。但機翼前緣和機頭駐點位置的溫度會更高，因此博姆技術公司計劃在機身采用中等模量碳纖維，翼梁采用高模量碳纖維，雙馬來酰亞胺樹脂（一種改性的環氧樹脂，力學性能和耐熱性能比環氧樹脂好）用來代替環氧樹脂用于高溫前緣和翼肋。為SpaceX公司的“獵鷹9”火箭提供耐高溫材料的荷蘭TenCate公司，將為XB-1驗證機提供耐高溫復合材料。

2017年6月，XB-1驗證機通過初步設計評審，預計2018年下半年將進行亞聲速試飛，2019年進行超聲速試飛。如果一切順利，時隔15年后，天空中將再次出現超音速客機的身影。

全新外形VS傳統設計

近年來，傳統氣動外形對于提升飛機的性能究竟還有多大的改進空間，一直是業界熱議的話題。如今，層出不窮的全新飛機氣動外形在理論上具有明顯的優勢，但從紙面到實際應用，還有很多的不確定性。因此，歐美飛機制造企業一方面不斷通過精細化設計，深入挖掘傳統布局客機的氣動效率，另一方面也在加快全新布局飛機的研發。

著名工業設計師弗朗索瓦？德？瓦特維爾近年來開始關注商用航空市場，探索通過精細化氣動設計，不借助先進結構技術和先進發動機，能夠在多大程度上提高飛機的氣動效率。

2013年，瓦特維爾提出了250座級的AGA-33概念客機方案。如今，瓦特維爾更新了設計理念，又提出了220座、與空客A321同級別的AGA-30概念客機方案。AGA-30概念客機采用CFM56發動機，通過精細化氣動設計，這款飛機比采用LEAP-1A發動機的A321neo的燃油效率提高30%，航程可達到7000公里。

公開資料顯示，瓦特維爾的設計思想是采用現有的成熟材料和發動機，在增加翼展的同時減小浸濕面積，從而使升阻比最大化。AGA-33概念客機的翼展68米，升阻比達32。相比之下，波音787-8的升阻比僅為20。另一款稍小一點的AGA-30的翼展為61.5米，升阻比為30。

通過采用圓截面細長型機身來最小化重量和阻力，AGA-30的巡航速度可達到Ma0.75，這一巡航速度相比目前的窄體飛機很有競爭力。盡管這種變截面機身的設計比較復雜，但是難度遠不及復合材料結構設計，值得業界關注。

NASA正在研發的帶后置附面層推進的單通道渦輪電推進飛機方案（STARC-ABL），采用已經十分成熟的管狀機身加機翼的總體構型，由于采用混合電推進技術，飛機燃油效率也有不小的提升。

STARC-ABL采用部分渦輪電推進架構，在機翼下方安裝了兩臺渦扇發動機提供推力，這兩臺發動機還可以對安裝于機身尾部的風扇提供電力，從而為飛機提供部分推力。尾部風扇對機身附面層的抽吸作用可為低能氣流注入能量，還可獲得減阻收益。而更小的阻力意味著可以減小動力需求，制造商可縮小翼下發動機的尺寸，抵消因電力系統、后置風扇和短艙帶來的額外重量增加。因此，盡管STARC-ABL采用傳統的飛機構型，但依舊可比同等技術水平的傳統飛機降低7%～12%的油耗。

目前，在NASA電推進飛機研究項目下，STARC-ABL方案作為下一代單通道客機驗證機方案的組成部分，正在不斷完善中。根據規劃，NASA將在2025年左右試飛該驗證機，用于驗證2035年左右服役的下一代單通道客機的一些關鍵技術。

在歐洲，空客正在“凈潔天空”計劃的支持下，進行層流機翼研發。“凈潔天空”是歐洲航空航天工業界的龐大計劃，包括固定翼飛機、旋翼機和可持續與綠色發動機等子計劃，由21家企業參與投資并對關鍵技術進行集成驗證，成果將提供給“凈潔天空”聯合執行機構，在計劃參與者之間共享。

空客層流機翼的研發是在“歐洲突破性層流飛機驗證平臺”（BLADE）下進行的。BLADE則是“凈潔天空”計劃中投資約4億歐元的亞聲速智能固定翼飛機計劃的一部分。

層流翼型是一種為使機翼表面保持大范圍層流、以減小阻力而設計的翼型。與普通翼型相比，層流翼型的最大厚度位置更靠后緣，前緣半徑較小，上表面比較平坦，使機翼表面盡可能保持層流流動，從而減少摩擦阻力。在空客位于法國塔布的飛行試驗室，層流機翼被安裝在一架A340-300驗證機上。

這架A340-300驗證機進行了耗時16個月的深度改裝。一號和四號發動機之外的機翼被“殘忍地”切掉，換成了層流機翼試驗段，試驗段的前緣后掠角相比原機翼減小了20度。兩個試驗段采用了兩種不同的設計方案，其中一個是GKN公司設計的、采用分離式前緣和上表面的金屬機翼，另一個是薩博公司設計的整體復合材料試驗段。

為了收集試驗數據，空客在機翼上設置了數百個測量點用于測量機翼表面的空氣波紋，以幫助工程師確定其對層流的影響，這也是空客首次在飛機上使用這種測試方法。此外，空客對這架飛機的深度改裝還包括在飛機吊艙內使用紅外攝像機來測量機翼溫度，使用聲波發生器來測量噪聲對層流的影響。同時，這架A340-300也是世界上第一架將跨音速層流翼型真正與內部主要結構相結合的測試飛機，在機艙內集成了監測兩個跨聲速層流外翼的飛行測試儀表站。

2017年9月26日，空客A340-300“層流機翼驗證機”進行了首飛，首次測試飛行時間長達3小時38分鐘。驗證機的機身上寫滿了項目參與公司的名稱，其中不乏賽峰、達索等耳熟能詳的名字。

按計劃，2018年這架驗證機將完成150個小時的飛行試驗。空客宣稱，使用層流機翼技術可以降低50%的機翼摩擦阻力、5%的二氧化碳排放，提高4%以上的燃油經濟性。