民用航空產品 創新的思考

張彤彤 劉忠

目前全球民機產品的創新研發主要集中在新能源、超音速、非常規氣動布局等方面，民機制造商和相關科研機構也制定了相關戰略，開始新產品的研制。但同時業界也有一些新的思考，那就是在眾多的技術創新中，到底哪一個研發方向才最貼合市場需求？對于中國民機產業而言，應該將關注的重點放在何處才更有助于形成未來國產民機的競爭優勢？

新能源飛機研發正當時

隨著全球氣候變暖負面效應的日益顯現，減少碳排放成為各行各業亟待解決的難題。民航業碳排放量占全球總排放量的2.5%左右，尋求新的替代能源、改變傳統燃油發動機的推進方式已成為主制造商布局未來航空市場的突破口。其中，電動飛機和氫能源飛機是歐美國家的主攻方向。

按照供能系統劃分，電動飛機可分為全電和混電飛機兩類。受電池能量密度的限制，全電飛機僅面向短距小型飛機的UAM（城市空中出行）市場。多家咨詢公司和金融服務公司預測，全球UAM市場潛力巨大，到2040年全球城市空中出租車規模將超過43萬架，整個UAM市場將達到1.5萬億美元。目前熱度較高的電動垂直起降、短距起降等飛行器均屬于UAM范疇。

據德國咨詢公司羅蘭貝格統計，截至2020年1月，全球在研電動飛機項目有216項，主要集中在北美和歐洲，且多為2017年后啟動的新項目。

在我國，電動飛機市場也已經起步。遼寧通用航空研究院獨立開發的全電動飛機“銳翔”已取得型號合格證和生產許可證，銳翔四座全電飛機RX4E已于去年成功首飛。廣州億航智能生產的全電動雙座飛機Ehang 216也已獲得美國聯邦航空管理局的飛行許可。

除了全電飛機之外，混合電推進飛機也是行業研發的熱點。這類飛機通過將燃氣輪機和電力技術相結合，達到無噪聲、高效率、低污染的推進效果。不過，雖然當前混合動力技術已應用于787、A380和A350、F35戰斗機等，但電池僅作為輔助動力裝置存在。

另外一種清潔能源的思路聚焦在氫能源飛機上。液氫的熱值是傳統航空燃油的2.78倍，燃燒過程不產生碳氧化合物和煙塵，氮氧化合物減少2/3，是真正意義上的環保燃料。如今，全球排名前十的機場都在嘗試或已經部署了氫能基礎設施，用于輔助交通和物流。

目前，歐美國家已涌現出一批中短程小型氫動力飛機項目。據波音公司最近的一項研究顯示，最早到2025年氫動力將可用于商用航空領域。空客在今年4月取消E-Fan X混合動力驗證項目后，制定了氫動力客機發展路線圖，計劃在2030～2035年間實現百座級以上氫動力客機的商業化。美國氫能源航空初創公司ZeroAvia在今年6月成功完成首次氫動力商用飛機試飛，并計劃在2023年前完成10～20座級500英里航程的氫能源飛機認證并投入使用。

由此可見，目前全球氫能源飛機的發展處于成長期，我國開始從事氫能源飛機的研究正當其時。從目前來看，我國制氫、儲氫、運氫尚未形成完整高效的產業鏈，基礎設施缺口較大，未來需要燃料公司、機場、飛機制造商和航空公司多方的共同努力。

超聲速客機研發需降溫

如今，盡管航線上已無超聲速客機的身影，但航空業從未放棄過對超聲速客機的研發。

其中，NASA正與洛克希德·馬丁公司聯合研制安靜超聲速技術驗證機Quesst X-59。該機能夠以1.42馬赫的速度在16.8千米的高度飛行，機上噪聲可控制在60～65分貝范圍內，預計2022年實現城市上空的飛行測試。成立于2014年的美國Boom技術公司正在從事XB-1的研究工作。該機型可容納55～75名乘客，并在18.3千米的高度以2.2馬赫的速度飛行，目前已完成大部分的設計制造并進入裝配階段，預計2021年開始試飛。成立于2002年的美國Aerion公司早在2004年就開始研制超聲速公務機AS2，AS2最高巡航速度為1.4馬赫，最大載客量為12人，公司希望能夠在2025年完成取證并開始量產。

需要注意的是，今年6月美國國防部調整了11項關鍵技術的研發優先順序，其中微電子、5G技術、生物技術的研發分別升至第1、第2和第4位，而超聲速技術的研發則跌落至第3位。可見，在后疫情時代，速度或許不再是行業首先考慮的因素了。

就超聲速飛行器本身來講，其經濟性和舒適性方面的表現不佳。現有民用機場的跑道多按照亞聲速大涵道比發動機設計，無法承受高溫加力噴流的灼燒，如將超聲速飛機投入商用，現有基礎設施的重建將會是一筆高昂的投入。與此同時，高速飛行與高油耗相伴而生，在強調可持續發展的今天，超聲速飛機或許并不適合時代的需要。

非常規氣動布局受關注

目前，航空業已達成一致，下一代飛機性能若想獲得質的飛躍，就要打破常規，因此非常規氣動布局的研究備受關注，較為熱門的非常規氣動布局包括翼身融合、斜拉翼、變體飛機、雙氣泡布局飛機等。

其中，翼身融合飛機被業界認為是最具發展前景的非常規氣動布局飛機。翼身融合飛機是單一機翼布局，將機身和機翼融為一體，使飛機整體結構更為平滑，從而大大減少空氣阻力，提高氣動效率。

早在上世紀20年代初，尼古拉斯·沃耶夫斯基就提出了翼身融合的理論。隨后英國制造出了第一架翼身融合試驗機——“韋斯特蘭無畏號”。該機在1924年的首飛中出現嚴重事故墜毀，后續項目被叫停。20世紀40年代初期，美國開始設計麥道XP-67戰斗機的原型機，該機同樣采用了翼身融合的外形，但第一架原型機在試飛過程中發動機著火，飛機被大火燒毀，項目被迫中止。20世紀60年代初期，美國又相繼推出A-12和SR-71偵察機，二者均采用翼身融合外形，分別服役6年和25年，這也是第一批成功服役的采用翼身融合外形的飛機。

在有了一定的技術積累后，21世紀初，NASA和波音聯合啟動X-48項目，進一步探索翼身融合的相關技術。在長達15年的研制中，先后推出X-48B和X-48C兩款無人駕駛驗證機，重點研究翼身融合飛機的低噪聲設計及穩定性控制。2017年，空客首次啟動翼身融合飛機項目——Maveric，并于2019年首次試飛了Maveric概念機。

從非常規氣動布局飛機的發展歷史中不難發現，此類飛機安全性較低，短時間內不會成為航空市場的主流機型。當前該技術均運用于軍機，民航領域進展緩慢。造成這一現象的主要原因是翼身融合飛機相較于傳統氣動布局飛機，縱向靜穩定不足。無尾布局不易布置操縱面，操縱力臂較短，操縱效率低，三軸耦合嚴重，對民航駕駛員的水平和經驗要求極高。

此外，目前民航客艙均為增壓機艙，翼身融合飛機剖面形狀不具備傳統筒式機身分散壓力的能力，設計過程中更要注重結構強度和機身解體問題。同時，由于翼身融合結構飛機的客艙內部空間與傳統飛機也有很大差別，因此如何對其進行內部布局，既保證乘客的乘坐舒適性又能滿足適航的要求，至今還沒有有效的解決方法。此外，翼身融合飛機與現有機場設施的兼容性低，此類飛機相對于目前的航站樓登機口而言體積過大，若應用于民航，對現有機場設施的改造又將是一大筆投入。

對我國民機技術研發的啟示

全球航空業正經歷著前所未有的時代，新冠肺炎疫情的沖擊影響了旅客結構、消費習慣、航司營運模式和行業競爭格局。隨著“綠色航空”理念的發展與推進，環保性在未來民機研制中的權重將更加突出。

目前，歐洲已經推出了一系列政策，將大量資源投入新能源飛機的設計和研發。他們這樣做不僅僅是為了滿足未來民航運輸業的環保需求，更是為了推動歐洲新能源產業發展，搶占民機新技術發展制高點。中國國產飛機未來要走出國門，一定要滿足日漸嚴苛的環保標準，因此新能源飛機產品是未來布局海外市場的自然選擇。

同時，新能源飛機的研制將帶動國內氣動布局設計、高能量密度電池、高效率電推進系統等多個學科領域的發展。以電動飛機的研制為契機，開展多行業共通核心技術攻關、開發具有自主知識產權的電動飛機產品，對于推動我國綠色航空、綠色交通發展具有戰略意義。

相比之下，超聲速飛機和非常規氣動布局飛機則更適合用作軍機和特種飛機，二者作為民機使用的經濟性、安全性、舒適性和旅客接受度都低于新能源飛機。當前，國內市場已經涌現出多家有特色有實力的電動飛機企業，形成了一定的產業基礎，而我國在超聲速和非常規氣動布局領域的技術儲備尚淺，距離規模化應用還有很長一段路要走。

無論如何，全球新一輪技術浪潮正席卷而來，我國民用航空主制造商要把握機會，變中尋機，加快布局前沿技術，培育優勢技術領域，提升產業話語權，掌握民機發展主動權。