我看未來民用客機發(fā)展

張聚恩

近日，西北工業(yè)大學研制的翼身融合大型客機縮比試驗機成功試飛的新聞刷屏網(wǎng)絡。該試驗機采用翼身融合外形，機身寬扁，與機翼平滑過渡，客艙則位于微微鼓起的機身下方。作為系列關鍵設計技術飛行驗證的摸底試飛試驗，此次試驗進行了試驗機的起降、通場、規(guī)劃航線自主飛行等科目測試，圓滿完成了預期的飛行計劃。據(jù)悉，這種翼身融合布局的民用客機，具有氣動效率高、結(jié)構(gòu)重量輕、裝載空間大、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，是滿足未來民機發(fā)展要求的革命性技術之一，可能成為下一代寬體客機的發(fā)展方向。

其實，對于未來民用客機發(fā)展前景，業(yè)界的基本共識是“四更”——更安全、更綠色、更經(jīng)濟、更舒適，或稱四性（安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性、舒適性）指標持續(xù)提升。而對于民用客機的“快”和“大”，我的看法是“快而無極，大需有度”。此外，與民用客機發(fā)展密切相關，但超出飛機自身的“三化”（便捷化、智能化、個性化）趨向也應高度關注。

一、關于“四性”

1. 安全性

安全性從來都是民用客機的生命線。經(jīng)過百年進步，民用客機的安全性已經(jīng)達到很高的水準。民機安全性最重要的一條適航要求，就是“每一個因系統(tǒng)故障造成的飛機災難性事件每飛行小時發(fā)生的平均概率低于10的負9 次方”。但近年來發(fā)生的一系列悲劇事件，如馬航的一次失蹤和一次被擊落，德國一起駕駛員駕機自殺，波音737MAX 的兩次同樣原因造成的空難以及2022年我國東方航空公司那起機上123名乘客和9名機組人員全部遇難（原因至今尚未公布）的事故，將民用客機的安全性問題提升到新的認知高度。安全性問題將在以下兩個方面對民航客機提出新的挑戰(zhàn)：

（1）飛機自身的系統(tǒng)問題——決不能讓737MAX這樣的故障重演，從設計到適航審定，都需要更加嚴格和富有成效；在把新技術引入系統(tǒng)設計時，在安全性方面的負面影響必須充分評估和防范。

（2）航空運輸系統(tǒng)要有防范各種人為因素造成事故的全面能力。從飛機自身對于非正常操作的禁止，到空中交通管理更加智能、提供足夠聰明和無縫的駕駛飛行管理與服務，直至出現(xiàn)如新冠疫情這樣的傳染病時如何讓乘客在機艙內(nèi)感染的風險降到最低，都成為安全性面臨的新任務。

2. 環(huán)保性

因兩次重大空難在全球停飛的波音737MAX，在消除了安全隱患后已陸續(xù)在各國實現(xiàn)復飛。

空客公司于2020年公布了全球首款零排放民用飛機的3種概念機型ZEROe，其中一款采用渦輪風扇發(fā)動機的設計方案，一款采用渦輪螺旋槳發(fā)動機的設計方案，一款采用“翼身融合”的設計方案。它們均由改進的氫燃料發(fā)動機提供動力，以淘汰那些老舊的對環(huán)境不太友好的飛機。新機型計劃于2035 年投入使用。

美國航空航天局（NASA）正在開發(fā)的“蘇珊”亞聲速混合電動客機設計獨特，左右兩個機翼下方各有一排呈陣列狀分布的小型電動發(fā)動機，機身末端的發(fā)動機艙裝有一臺渦扇發(fā)動機，除直接為飛機提供推力外，它還能驅(qū)動發(fā)電機為機翼下的電機供電。通過這種分布式推進設計，“蘇珊”有望保持與現(xiàn)代噴氣式客機相同的速度和航程，將單位座位的燃料消耗減少約50%，同時改善飛機的起降性能，并減少噪聲。

環(huán)保性的要求越來越高，并成為強制性指標，綠色航空成為準入門檻。2020年國際航空運輸協(xié)會（IATA）發(fā)布了《2050年飛機技術路線圖研究》報告，提出到2050 年航空運輸業(yè)二氧化碳排放總量比2005 年減少50%，氮氧化物排放減少90%，噪聲減少65%；飛機在機場的移動采用燃料電池驅(qū)動。自2009 年航空業(yè)提出實現(xiàn)高級別氣候行動計劃以來，已推出多個實現(xiàn)民航碳排放目標的技術解決方案。新能源飛機成為民用客機的主要方向之一，通過采用多種能源組合實現(xiàn)高效運行與節(jié)能減排，是航空運輸業(yè)的重要發(fā)展趨勢。空客公司在2020 年發(fā)布的ZEROe 計劃，采用改良的飛機構(gòu)型和動力形式，計劃2035年開始將幾種以氫為主要能源的商用飛機陸續(xù)投入運營，有可能在全球首開零排放商用飛機之先河。

3. 經(jīng)濟性

經(jīng)濟性包含兩個方面的含義，一是要使運營民用客機的商業(yè)公司有錢可賺，重點是降低飛機的燃油消耗或其他能源成本，使單機成本和直接運營成本盡可能降低，為運營商帶來更高的收益；二是制造商要能按預期獲得市場回報，得以步入良性循環(huán)。據(jù)統(tǒng)計，研制一種大型干線客機，要花20_50億美元，需耗用8_10年時間，盈虧平衡點一般不低于300 架。使制造商在可預測的銷售量之下獲得盈利，是民用客機創(chuàng)新發(fā)展的活力來源之一。經(jīng)濟性與飛機推進系統(tǒng)性能關聯(lián)密切，提高經(jīng)濟性的主要技術方向是革新能源類型和動力樣式；持續(xù)進行新布局研究，提高氣動效率，以及引入智能制造技術，使生產(chǎn)效率更高，也是重要方向。

4. 舒適性

舒適性雖說是乘客個體的體驗與感受，但普遍的舒適性要求仍是客觀和必要的，主要依靠人性化設計來實現(xiàn)。客艙空間的設計、客艙環(huán)境的設計、旅途中（特別是長途旅行）所能享受的機上服務，是直接面向乘客的基本內(nèi)容，而通過改進發(fā)動機和全機設計，降低振動和噪聲，是更為重要的內(nèi)容。

二、關于“三化”

空客公司多年前就曾發(fā)布過一種采用透明機艙的未來概念客機，其設計靈感來自大自然，讓乘客可以享受全新的旅行體驗。

除“四性”外，“便捷化”“智能化”“個性化”也成為趨勢性要求，但這“三化”的共同點是超越民用客機自身的創(chuàng)新發(fā)展，而與航空運輸系統(tǒng)相關聯(lián)，或為多項先進技術在民用客機設計、制造和使用中的深入應用。

1. 便捷化

包含快捷和便利兩方面內(nèi)容。航空運輸系統(tǒng)需要不斷提供更高的飛行和運行速度，以滿足社會經(jīng)濟生活的高節(jié)奏、快速化需求；當然，飛行器的速度也必將持續(xù)提高，超聲速客機即將歸來。開發(fā)高效、經(jīng)濟、環(huán)保的商用超聲速運輸系統(tǒng)，將改變橫跨大陸和洲際間運輸?shù)挠螒蛞?guī)則，在實現(xiàn)快速化的努力中具有突破性意義。航空運輸系統(tǒng)應該納入地區(qū)或國家立體交通大系統(tǒng)，圍繞客戶“門到門”而非“點對點”進行“便利性”的規(guī)劃和評價，以確保所有客戶全程旅行時間最短、接駁最為順暢。

2. 智能化

近年來，人工智能（AI）技術突飛猛進，其有望在以下兩方面直接推動民用客機發(fā)展。第一，在民機開發(fā)中，更多地應用AI 技術；AI 雖不構(gòu)成獨立的民機使用目標，但多方面地體現(xiàn)在“四性”的實現(xiàn)中。智能制造將大大優(yōu)化資源配置，提高自動化程度，達到降（成）本增（產(chǎn)）能提質(zhì)（量）的效果；將AI 技術嵌入更先進的飛行控制系統(tǒng)，變革人機界面、改善飛行方式，其應用前景值得期待。第二，將AI 技術用于革新空中交通管理系統(tǒng)，以顯著提升運行效率和服務水平。

3. 個性化

未來民用客機的發(fā)展將呈現(xiàn)一定程度的以“定制”為主要特點的“個性化”，提供充分滿足用戶需要的產(chǎn)品和靈活的服務。當前在談到“個性化”時，更多地體現(xiàn)在各類通用航空器，而非傳統(tǒng)分類里的民用客機或商用運輸飛機，如私人/ 公務飛機、與未來城市交通系統(tǒng)相伴的垂直起降飛機和應急救援飛行器等的發(fā)展中，但民用客機的未來發(fā)展也與此相關。而如果討論整個民機領域的未來發(fā)展，個性化/ 定制性則是必須考慮的重要趨向之一。

三、關于“快”和“大”

對于民用客機未來發(fā)展趨勢，更大的關切在于速度和大小（幾何尺寸）。“快”和“大”幾乎是航空發(fā)展的永恒議題，對于民用客機更為具體和迫切。筆者的看法如本文標題，快而無極，大需有度。對于速度的追求沒有極限，只要技術上可以實現(xiàn)，不悖逆作為前提的“五性”要求，飛行自然是越快越好，誠如前面談及“便捷性”時的超聲速客機歸來；未來也許還會有更高速度的民用客機。

上海峰飛航空科技推出的eVTOL飛行汽車V1500M，這種未來城市交通系統(tǒng)將為人們提供更靈活與個性化的出行選擇。

這款X-48B翼身融合概念機一直被盛傳是波音797的驗證機，其寬大的翼身融合體內(nèi)可布置更多的座位，如能成真，絕對堪稱客機中的巨無霸。

而說到“大”，到底造多大的客機，主要不是技術實現(xiàn)的可能性問題，而是是否有這樣的真實需求，這就是“度”的含義。如果只說“大”，只說載重，最大的運輸類飛機安-225可以載運2000名乘客；據(jù)傳的波音797 翼身融合概念機可搭載千名以上乘客。而現(xiàn)實中全球最大的兩款民機—— 空客A380和波音747先后關閉生產(chǎn)線，則說明比“大”更重要的是適用性，是商業(yè)成功。展望未來一二十年，把“快”和“大”結(jié)合起來的最好機型仍是雙發(fā)、單層、寬體的高亞聲速/ 超聲速客機，促其進步的要素是能源/ 動力、綠色與經(jīng)濟要求的高水平滿足。

四、產(chǎn)品發(fā)展動向

綜合上述認知，未來民用客機產(chǎn)品發(fā)展的主要動向為：

1. 高效亞聲速干線客機

通過發(fā)動機進步和動力電氣化、新構(gòu)型（翼身融合、發(fā)動機嵌入/ 半嵌入機身、支撐翼、連接翼等）的研發(fā)與應用、先進技術（材料、結(jié)構(gòu)與制造等）的采用，實現(xiàn)實質(zhì)性效率提升，以更低成本獲得比現(xiàn)役飛機更高的經(jīng)濟效益，形成不同座級（100 _ 200、200 _ 300 及以上）與不同航程的多樣化組合。

2. 噴氣化支線飛機

支線飛機的主流向“噴氣化”和“大座級”發(fā)展，與低端干線飛機無縫銜接。并將率先采用新能源、基于大功率儲能電池的新動力裝置，而獲得經(jīng)濟性、環(huán)保性與便捷性的綜合性能提升。

3. 超聲速客機

新一代超聲速民用飛機技術日趨成熟，聲爆/ 噪聲控制、結(jié)構(gòu)重量控制、飛行控制等技術全面提高，有望在公務機上得以集中采用，進而推出遠勝于“協(xié)和號”的超聲速客機，以滿足把洲際飛行縮減到5 小時上下的快速化要求。

五、技術創(chuàng)新發(fā)展方向

進入21 世紀以來，基于信息技術的數(shù)字化/ 智能化和基于綠色低碳化技術的新能源/ 新動力兩大技術集群，突飛猛進并融合發(fā)展，成為社會經(jīng)濟發(fā)展的強大動力，也為未來民用客機發(fā)展注入了強勁的驅(qū)動力。未來民用客機技術創(chuàng)新發(fā)展的主要方向?qū)⒃谶@兩個方面展開。具體包括：

1. 民用客機的數(shù)字化/ 智能化技術研究與應用

這種跨聲速桁架支撐機翼布局的客機構(gòu)型已經(jīng)完成了一系列風洞試驗，桁架結(jié)構(gòu)使機翼在超高展弦比的情況下也擁有足夠的結(jié)構(gòu)強度，同時還能顯著減小阻力與振動。

美國Boom公司計劃研制一種新型超聲速客機，速度可達1451英里/ 小時，飛行高度約6 萬英尺，是目前普通航班的兩倍。

2022年12月29日，中國商飛正式向市場交付第100架ARJ21飛機。自2016年6月28日成功首航以來，ARJ21已開通航線316條、通航城市118座、安全載客近 600萬人次。這張照片拍攝于2022年8月10日，參加全國青少年無人機大賽的部分北京選手和工作人員與ARJ21 總設計師陳勇（后排左6）合影。

掌握并綜合運用先進航電、自動控制、人工智能、北斗導航、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術新成果，提升飛機設計、制造、運維、服務等全生命周期的數(shù)字化與智能化水平，加強系統(tǒng)安全保障能力，降低成本、提高效率。

2. 民用客機的新能源應用和低碳化動力系統(tǒng)研發(fā)

持續(xù)開發(fā)先進的電氣化、電力推進、混合動力、氫能源、替代燃料等新能源/ 新動力技術，推進技術驗證，加快在民用客機領域的多方位應用，實現(xiàn)綠色航空目標。

3. 更加安全高效的民用航空運輸系統(tǒng)開發(fā)

綜合運用數(shù)字化、智能化、自動化、個性化、系統(tǒng)工程等手段與工具，發(fā)展新一代航空運輸系統(tǒng)，提高運行效率與監(jiān)管水平，提升運輸能力和服務質(zhì)量。

4. 跨領域、多專業(yè)新技術在民用客機的融合應用

探索先進材料、仿生、量子、腦機接口等新技術在民機領域應用的可能性，開發(fā)適用于民航運輸系統(tǒng)的建模與仿真、分析工具與測量等適用技術，增強多學科綜合設計能力，助推新型民用客機及其推進系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展。

我國自主研制渦扇民用客機的事業(yè)在經(jīng)歷坎坷曲折之后，終于上升為國家意志，并取得重大歷史性進步。ARJ21渦扇支線客機已累計交付100架，載運乘客逾560萬人次；C919渦扇干線客機于2022年12月交付首架，即將展開商業(yè)運營。但總體來看，我國民機產(chǎn)業(yè)的基礎仍十分薄弱，工程經(jīng)驗尚待積累，自主保障能力亟須加強。面向未來，中國民機市場巨大，國家稟賦優(yōu)良，只要堅定意志，務實苦干，必將取得新的進步，在我國航空產(chǎn)業(yè)中盡早補齊補強民機板塊，最終實現(xiàn)航空強國的偉大目標。