這些創(chuàng)新，將改變未來的飛行

張晉

波音公司創(chuàng)始人威廉·波音曾經(jīng)說過：“不要因?yàn)橐痪洹@做不到而放棄任何一個(gè)創(chuàng)新構(gòu)想?！?/p>

在航空業(yè)進(jìn)入新一輪格局重組的當(dāng)下，創(chuàng)新技術(shù)層出不窮。今天，無論你是否做好了準(zhǔn)備，全新布局的電動(dòng)飛機(jī)、更高效率的機(jī)身裝配生產(chǎn)線、人工智能技術(shù)等正在一步步從天馬行空的設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

混合電推進(jìn)技術(shù)

混合電推進(jìn)技術(shù)是解決飛機(jī)推進(jìn)、動(dòng)力與熱管理問題的有效途徑。2019年，全球范圍內(nèi)混合電推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域開展了多項(xiàng)硬件級(jí)演示驗(yàn)證計(jì)劃，使這一技術(shù)向應(yīng)用邁出了一大步。

在系統(tǒng)研究領(lǐng)域，2019年4月，柯林斯宇航公司宣布投資5000萬美元，建設(shè)一個(gè)面積達(dá)2300平方米的先進(jìn)電力系統(tǒng)試驗(yàn)室——“電網(wǎng)”（The Grid）。該試驗(yàn)室計(jì)劃于2021年全面運(yùn)行，未來可用于支持功率等級(jí)1兆瓦的電機(jī)、電機(jī)控制器和電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試。

在支線飛機(jī)領(lǐng)域，羅羅公司2019年8月宣布，用于E-Fan X支線混合電推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)的2.5兆瓦發(fā)電機(jī)已進(jìn)入地面測(cè)試階段。在當(dāng)年6月的巴黎航展上，羅羅宣布將收購(gòu)西門子電動(dòng)飛機(jī)業(yè)務(wù)。此外，聯(lián)合技術(shù)公司高級(jí)項(xiàng)目組宣布了一個(gè)名為“804”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃在3年內(nèi)完成以Dash9-100飛機(jī)為平臺(tái)的混合電推進(jìn)飛機(jī)的改裝及試飛工作，最終目標(biāo)是通過使用包含1兆瓦發(fā)動(dòng)機(jī)（針對(duì)巡航效率優(yōu)化）和1兆瓦電機(jī)（電池驅(qū)動(dòng)，主要為起飛、爬升階段提供動(dòng)力）的混合電推力系統(tǒng)替代一臺(tái)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)燃油消耗降低30%的目標(biāo)。

在輕型飛機(jī)領(lǐng)域，加拿大海港航空2019年3月宣布與電機(jī)初創(chuàng)公司MagniX合作，以德·哈維蘭公司“海貍”飛機(jī)為平臺(tái)開展全電推進(jìn)系統(tǒng)改裝。2019年12月，裝載了全電推進(jìn)系統(tǒng)的飛機(jī)完成了首次試飛。根據(jù)計(jì)劃，該型飛機(jī)將在2021年完成適航取證。

在美國(guó)，NASA一直在推進(jìn)全電X-57飛機(jī)的演示驗(yàn)證計(jì)劃，2019年8月完成了大展弦比機(jī)翼載荷測(cè)試。除了項(xiàng)目本身之外，NASA還在高校中資助了多個(gè)研究項(xiàng)目，如為伊利諾伊大學(xué)香檳分校的飛機(jī)低溫高效電力技術(shù)中心提供了為期3年、總額600萬美元的資助，用于研發(fā)基于液態(tài)氫燃料電池的全電推進(jìn)飛機(jī)。

在歐洲，2020年伊始，由“歐洲地平線2020”計(jì)劃資助的混合電推進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目（IMOTHEP）在布魯塞爾正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目獲得了1040萬歐元資助，旨在研究商用航空混合電推進(jìn)技術(shù)，研究周期為4年。IMOTHEP將結(jié)合先進(jìn)的飛機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)混合電推進(jìn)飛機(jī)的電力系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，以充分發(fā)揮推進(jìn)系統(tǒng)與飛機(jī)構(gòu)型之間的協(xié)同效應(yīng)。

該項(xiàng)目由法國(guó)航空航天研究中心牽頭開展，共有33個(gè)參與方，其中包括空客、賽峰、MTU、法國(guó)國(guó)立高等航空航天學(xué)院、鮑豪斯研究院、歐洲航行安全組織等。此外，歐洲航空安全局作為第三方也參與了研究項(xiàng)目。

ATI波音加速器計(jì)劃

2019年，737MAX事件讓波音頭疼不已，但是波音并沒有放慢技術(shù)創(chuàng)新的腳步。2019年10月，波音聯(lián)手英國(guó)航空航天技術(shù)研究所（ATI），共同宣布了一項(xiàng)為期2年的計(jì)劃——ATI波音加速器計(jì)劃，該計(jì)劃旨在扶持航空航天工業(yè)中初創(chuàng)企業(yè)的成長(zhǎng)。

該計(jì)劃第一輪為期三個(gè)月，旨在尋找世界一流的初創(chuàng)公司，每家被選為資助對(duì)象的初創(chuàng)企業(yè)將獲得來自波音HorizonX風(fēng)險(xiǎn)投資平臺(tái)的10萬英鎊股權(quán)投資，并有機(jī)會(huì)同ATI、波音的專家交流合作，共同完成技術(shù)的初始概念驗(yàn)證工作（POC）。波音將在2年的計(jì)劃執(zhí)行期內(nèi)，通過旗下的HorizonX風(fēng)險(xiǎn)投資平臺(tái)提供至少200萬英鎊的資金支持。通過這種合作，波音和ATI希望能夠加速創(chuàng)新，幫助充滿活力的全球初創(chuàng)企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)迅速成長(zhǎng)。ATI波音加速器計(jì)劃每年將扶持2批，每批8～15家初創(chuàng)企業(yè)，企業(yè)的業(yè)務(wù)范圍主要包括先進(jìn)材料、區(qū)塊鏈技術(shù)、增材制造、數(shù)字孿生、智能工廠等。

ATI波音加速器計(jì)劃是首個(gè)專門針對(duì)民用航空航天技術(shù)設(shè)立的加速器計(jì)劃，它將為初創(chuàng)企業(yè)在行業(yè)內(nèi)取得成功提供更大的機(jī)會(huì)和平臺(tái)。利用新技術(shù)和新商業(yè)模式提高生產(chǎn)率、刺激行業(yè)發(fā)展來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，已經(jīng)被證明是一種可行的方式。在這一平臺(tái)中，初創(chuàng)企業(yè)展示的新技術(shù)和解決方案將會(huì)被大企業(yè)敏銳捕捉，從而得到更好的發(fā)展。

ATI波音加速器計(jì)劃受到了英國(guó)政府和企業(yè)的傾力支持。2020年1月，英國(guó)商務(wù)部、能源與工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）宣布開設(shè)全新的“加速器”辦公室，標(biāo)志著該計(jì)劃正式進(jìn)入實(shí)施階段。

目前，首批獲得資助的10家初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)在眾多參選企業(yè)中脫穎而出，它們將在未來三個(gè)月內(nèi)在倫敦接受來自ATI、波音和GKN航宇公司戰(zhàn)略規(guī)劃和技術(shù)方面專家的直接指導(dǎo)，共同完成項(xiàng)目的初始概念驗(yàn)證。根據(jù)計(jì)劃，首批獲得資助的10家企業(yè)將在4月的演示驗(yàn)證中向客戶、投資方等詳細(xì)介紹研究成果以及應(yīng)用前景等。

NASA在關(guān)注什么

2020年2月，美國(guó)政府公布了其2021財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)。其中，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）2021財(cái)年的預(yù)算為252億美元，較上一年預(yù)算增加12%，其中近一半將用于支持重返月球和登陸火星計(jì)劃。用于民用航空科技研發(fā)的預(yù)算為8.19億美元，較上一財(cái)年增長(zhǎng)4.5%。同時(shí)，NASA的預(yù)算還明確了將重點(diǎn)支持X-59超聲速技術(shù)低聲爆驗(yàn)證機(jī)（QueSST）、電推進(jìn)系統(tǒng)、無人機(jī)空中交通管理等方面的研發(fā)工作。

目前，NASA航空領(lǐng)域的研究以“計(jì)劃（Program）+項(xiàng)目（Project）” 的兩層結(jié)構(gòu)對(duì)相關(guān)科研工作進(jìn)行管理。其中，“計(jì)劃”指的是實(shí)現(xiàn)NASA航空研究戰(zhàn)略目標(biāo)相關(guān)的重點(diǎn)研究方向，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里將保持相對(duì)穩(wěn)定;“項(xiàng)目”則是較為具體的一些科研內(nèi)容，可能是面向某些通用領(lǐng)域的科研需求，也可能是針對(duì)專門領(lǐng)域或主題的研究，不同項(xiàng)目實(shí)施的科研周期也不盡相同。2021財(cái)年，NASA航空研究新增了航空學(xué)評(píng)價(jià)與試驗(yàn)?zāi)芰τ?jì)劃（AETC），使得NASA航空研究計(jì)劃增加到5個(gè)，其他4個(gè)延續(xù)性計(jì)劃為：空域運(yùn)行與安全性計(jì)劃（AOSP）、先進(jìn)飛行器計(jì)劃（AAVP）、綜合航空系統(tǒng)計(jì)劃（IASP）和變革性航空概念計(jì)劃（TACP）。

新增的航空學(xué)評(píng)價(jià)與試驗(yàn)?zāi)芰τ?jì)劃主要用于支持地面試驗(yàn)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展?？沼蜻\(yùn)行與安全性計(jì)劃旨在開展空中交通管理和運(yùn)營(yíng)安全性概念相關(guān)的研究與技術(shù)開發(fā)。該計(jì)劃包括兩個(gè)子項(xiàng)目，分別是空中交通管理-探索（ATM-X）和系統(tǒng)級(jí)安全性（SWS）。

空中交通管理-探索項(xiàng)目將繼續(xù)推進(jìn)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)交通管理（UTM）運(yùn)行和空域集成的技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證，特別是實(shí)現(xiàn)城市空運(yùn)（UAM）飛行器的空域和空中交通管理能力;利用波音環(huán)保驗(yàn)證機(jī)開展飛行試驗(yàn)，確定未來自主貨機(jī)運(yùn)行的研究需求。系統(tǒng)級(jí)安全性項(xiàng)目將開發(fā)處理飛行器狀態(tài)信息以監(jiān)控系統(tǒng)安全性和進(jìn)行預(yù)測(cè)的技術(shù)，為發(fā)展先進(jìn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)級(jí)安全性保證系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)監(jiān)控、評(píng)估和緩解。

先進(jìn)飛行器計(jì)劃將支持先進(jìn)工具、技術(shù)和概念的開發(fā)，使下一代飛機(jī)更安全、能源利用更高效、對(duì)環(huán)境的影響更低。先進(jìn)飛行器計(jì)劃2021財(cái)年包含先進(jìn)空中運(yùn)輸技術(shù)、垂直升力技術(shù)、民用超聲速技術(shù)、高超聲速技術(shù)4個(gè)項(xiàng)目。其中，民用超聲速技術(shù)項(xiàng)目將支持X-59QueSST飛機(jī)的后期試飛工作。

先進(jìn)空中運(yùn)輸技術(shù)項(xiàng)目將利用NASA電動(dòng)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（NEAT）開展兆瓦級(jí)逆變器試驗(yàn)以及先進(jìn)機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)降噪裝置等降噪技術(shù)驗(yàn)證。創(chuàng)新垂直升力技術(shù)項(xiàng)目將開發(fā)電垂直起降飛行器的高壓直流電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通過建模仿真驗(yàn)證UAM多旋翼飛行器聲學(xué)性能的計(jì)算能力。民用超聲速技術(shù)項(xiàng)目將確定聲學(xué)驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)，準(zhǔn)備低聲爆飛行驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)的實(shí)施計(jì)劃，利用預(yù)測(cè)驗(yàn)證工具完成試驗(yàn)前預(yù)測(cè)能力的評(píng)估。高超聲速技術(shù)項(xiàng)目將進(jìn)行高超聲速飛行試驗(yàn)性能預(yù)測(cè)計(jì)算，研究渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)部件的設(shè)計(jì)方案，為其后續(xù)制造和地面試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

綜合航空系統(tǒng)計(jì)劃主要包含4個(gè)子項(xiàng)目，分別是飛行驗(yàn)證與能力、電氣化動(dòng)力系統(tǒng)飛行驗(yàn)證、先進(jìn)空運(yùn)和低聲爆飛行驗(yàn)證機(jī)。

飛行驗(yàn)證與能力項(xiàng)目將為X-57飛機(jī)的下一階段飛行做好準(zhǔn)備，其中包括電機(jī)移至機(jī)翼翼尖和采用綜合分布式電推進(jìn)電機(jī)等試驗(yàn)。

電氣化動(dòng)力系統(tǒng)飛行驗(yàn)證項(xiàng)目是2021年新設(shè)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目將支持把電動(dòng)力系統(tǒng)、電分配和儲(chǔ)能部件加裝至已有飛機(jī)平臺(tái)，并通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證電推進(jìn)系統(tǒng)的性能。

先進(jìn)空運(yùn)項(xiàng)目從2021年開始從空域運(yùn)行與安全性計(jì)劃轉(zhuǎn)至綜合航空系統(tǒng)計(jì)劃下管理，該項(xiàng)目將管理城市空運(yùn)“大挑戰(zhàn)”飛行驗(yàn)證活動(dòng)等大型復(fù)雜驗(yàn)證活動(dòng)，將獲得的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)與美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）以及工業(yè)界分享，為后續(xù)的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)做好準(zhǔn)備。

低聲爆飛行驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目為NASA航空研究中的低聲爆飛行驗(yàn)證（LBFD）任務(wù)提供主要支持。NASA低聲爆飛行驗(yàn)證任務(wù)分為三個(gè)階段。

第一階段開展X-59飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造、首飛和包線擴(kuò)展試飛。第二階段開展低聲爆聲學(xué)驗(yàn)證試飛，包括飛機(jī)近場(chǎng)、中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)及地面聲爆信號(hào)的數(shù)據(jù)收集和評(píng)價(jià)。第三階段，X-59驗(yàn)證機(jī)將在多處開展低聲爆公眾反應(yīng)試飛，試飛研究結(jié)果將提交國(guó)際民航組織以制訂新的超聲速客機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)。低聲爆飛行驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目將完成LBFD任務(wù)的第一、第二階段工作，主要內(nèi)容是完成最后的飛機(jī)子系統(tǒng)測(cè)試和NASA提供的系統(tǒng)的地面試驗(yàn)，完成X-59飛機(jī)的飛行就緒評(píng)審。預(yù)計(jì)X-59將在2022年1月完成首飛，2023年1月洛克希德·馬丁將把飛機(jī)交給NASA，LBFD任務(wù)的第一階段隨之結(jié)束。

變革性航空概念計(jì)劃則主要利用航空與非航空技術(shù)的集成，創(chuàng)造新概念與技術(shù)。變革性航空概念計(jì)劃2021年包含3個(gè)項(xiàng)目，即聚合航空解決方案、變革性工具與技術(shù)和高校創(chuàng)新。其中，聚合航空解決方案項(xiàng)目將支持人機(jī)協(xié)同、創(chuàng)新性材料、電垂直起降飛機(jī)綜合聲學(xué)分析能力開發(fā)等。

從公布的研究計(jì)劃中不難看出，NASA的研發(fā)投入聚焦在電推進(jìn)、城市空運(yùn)、無人機(jī)系統(tǒng)空中交通管理等方面的技術(shù)研發(fā)和飛行驗(yàn)證。2020年，NASA的X-57電動(dòng)飛機(jī)將完成首次飛行，X-59驗(yàn)證機(jī)將完成總裝，驗(yàn)證城市空運(yùn)的“大挑戰(zhàn)”活動(dòng)的前期準(zhǔn)備工作正在有序推進(jìn)。NASA重點(diǎn)關(guān)注的這些領(lǐng)域，或許代表了行業(yè)未來的發(fā)展方向。