21世纪初民用运输机发展趋势

吴戈

随着世纪的交替，民用运输机也呈现出崭新的局面。对于大型民用客机的研制仍然是波音和空客两强为主，但在支线机的研制上，多头争霸的局面已经形成。在技术上，现有机型日臻完美，超音速客机和超大型飞机的前景初露端倪，亚音速运输机将有重大突破，飞机运行方式也将发生革命性变化。但是，由于这一高技术领域固有的高投入和高风险，其整体发展必然是渐进式的，而不会是跳跃式的突变。

整体水平将渐进提高

对于未来的民用运输机和航空运输业的发展，各大飞机公司和研究机构都在投入人力物力进行研究，其中花力气最大的可能要数美国国家航空航天局（NASA）。近来在一些专业报刊中，经常可看到这类研究报告和文章，其中有不少是出自于NASA的研究结果。有人认为，在未来20年内，航空运输业仍将向着更安全、更便宜、更利于环保、更能促进经济的方向发展。具体目标NASA认为：飞行安全性提高10倍，飞行成本降低50％，海外旅行时间减少一半，大大降低飞机噪声和废气排放；在新机型研制上，从概念提出到技术验证，其周期可缩短一半……

然而在实现途径上，至少21世纪初，民机的发展方向，其主题仍将是渐进发展和降低成本，而不是完全的革新和在性能上的根本突破。虽然也会出现一些满足新兴市场的新机型，但制造商的重点可能不是推出创造性的新设计，以及用更少的燃料飞得更快、更高、更远上，而是更为重视充分挖掘现有机型的潜力（比如发展增程型或加长型），降低生产成本和飞机噪声对环境的影响。

在民机的发展上，新的航空电子设备、结构材料、生产工艺、数据通信、运营理念、环境要求和市场需求的变化等都将起到决定作用，但这种种因素将怎样出现，怎样产生影响是很难确切预测的。尤其是目前，飞机制造商的长远计划、市场研究和发展战略，与竞争激烈的空运业本身固有的压力与需求并不一致。因此，虽然在50年代，未来学家就预计2000年将出现载客千人、数小时即可完成远距飞行的超音速航班客机。但是，2000年已经到来，民机虽不断发展，其外形和总体性能并未有根本性变化，真正能载客千人、可超音速飞行、能根据需要改变外形的飞机，可能还要20年才能投入使用。近期，真正的巨变将是借导航和通信的革命，而使飞机的运行面目一新。

另外，从目前有洲际航程的大型飞机的研制成本来看，不管是军用运输机还是民用运输机都大得惊人，不得不走联合发展和一机多用道路。如性能极为优秀的C－17军用运输机，现在也在开拓民用市场。要想取得民用市场的份额，其成本就必须降到民用经营者能接受的程度。美军的C－5B和C－130即使还能服役20年，也都需要考虑改型或替代，而今后的研制生产费用，已不可能完全由国防预算负担，必将采取军民双方合作的方式发展。

近年来，经常可听到人们在谈论超音速运输机（SST）和超大型飞机（VLA）的话题。在这方面不光停留在口头上，而且有行动，欧美两大民机研制集团都已提出了自己的设想和方案。在支线客机的研制上，已经呈现出群雄争霸的局面，合作研制、共同开发已成为一种趋势。但是，从总体上来看，民用运输机的发展仍将是渐进式的。

亚音速运输机将有重大突破

其实，现有亚音速运输机技术远未达到尽善尽美。波音和空客两大民机研制生产集团都很清楚，只有增加研究发展投资，促进航空科研的突破，才能降低飞机采购和运营成本，赢得21世纪的民用航空市场。

在美国，这一高风险的研究领域主要依靠NASA和兰利等专业机构。NASA多年来在超临界翼型、翼梢小翼和桨扇发动机等方面的研究成果，为改善民机性能，提高空运安全性、可靠性、效率和速度发挥了巨大作用。从1994年开始，兰利研究中心启动了“先进亚音速技术”（AST）项目，原定于1999年结束。其目的是将促使这一领域在下个20年出现重大突破，从而使民用运输机的制造和效率发生革命性的变化。更重要的是，它将促使当前民用和军用航空工业抛开常规思维，向飞机设计制造完全一体化的方式转变。

按照他们的预计，今后20年，在民机研制生产上的技术进步，主要将集中表现在下面两个领域：

制造成本最低化

实现这一目标的途径首先是复合材料。全复合材料机翼是一个潜在的技术突破重点，对减小机体重量和复杂性有重大意义。NASA和波音公司正合作研究一种采用缝合/注入技术，用碳纤维复合材料制成的基本机翼结构。这种缝合/注入技术用自动装置分配的合成线，将先铺设好的预浸渍碳纤维缝合起来，再注入树脂。目前波音公司已试制了一个12米的半翼展翼段结构，正在兰利研究中心进行一系列结构强度试验（见下图）。

由于摆脱了铆接金属构件的旧方法，完全实现了制造过程自动化。预计此方法将使制造成本比铝制全金属机翼降低20％，机翼重量也比金属组装机翼减轻25％，部件数量大大减少，而且极其耐久、耐损和易修复。波音公司对其在未来运输机上的应用很感兴趣。从目前进展看，15年内这种全复合材料机翼就可以应用到飞机上。这种方法还可考虑用于制造舱门、副翼等大部件，甚至用于未来超大型飞机的制造上。

美国空军正在研究的一种先进固态碳泡沫（SCF）材料。这种新材料将在飞机的热防护和结构方面具有巨大的应用潜力。由于SCF材料的密度可变化，在各个方向都具有相同的特性，而不象许多常规复合材料一样只在一个方向有相同特性，这样就不需模具和压力就能加工，从而大大降低制造成本。高密度状态的SCF能用于机翼和机身等主要部件的结构加固，其热传导性能可适应大范围的温度，因而在飞机结构上可广泛应用。

另外，灵巧机翼结构和系统也大有用武之地，美国莱特－帕特森空军基地/研究实验室正与国防先进研究计划局（DARPA）和诺思罗普－格鲁曼公司合作研究，他们的研究目标是通过在机翼上使用形状记忆合金（SMA）来改善其气动效率。基于SMA的无铰可扭曲性能，可利用其翼面进行控制。经风洞试验表明，这种无铰翼面具有一系列气动优点，如滚转力矩提高10％至15％，机翼扭曲4度就可产生10％的升力增益等。尽管采用这种技术会增加重量和复杂性，但研究人员对其前景仍很乐观，估计20年后就能用于运输机。

在计算流体力学（CFD）方面，除降低风洞试验成本外，波音公司还试图通过在虚拟设计环境中引入CFD模型，把机体设计周期从数年降到数月，但目前要精确预测高升力系统和机翼上复杂的流动现象，还需要作大量工作。如果实现，就能设计出更小、更轻、更高效、噪声更低的高升力系统。

通过减少废气和降低噪声，进一步改善民机的环保性能

在发动机的噪声控制上，下一代运输机必须在降噪上取得突破，才能满足未来机场的要求。NASA的目标是5年内将民机的越顶噪声降低10分贝，但重大突破可能将出现在下一代而不是现有飞机上。

关于控制发动机噪声的研究，关键是低压风扇叶片与压缩机定子的合理设计，以及如何降低喷管分离流的噪声。这些方面如能得到改善，就可使飞机在起飞和爬升时的风扇噪声降低3分贝。NASA还在加强对作为主要噪声源的副翼、起落架和起落架舱门等产生的涡进行研究。

在发动机废气排放方面，目标是在10年内使废气排放量减少3倍，25年内减少5倍。NASA的研究重点在改进喷嘴和燃烧室的设计上。刘易斯研究中心对这些设计的综合测试可望不久结束，并可能出现突破性进展。对于离心式喷嘴的高压燃烧技术的试验是很成功的，但这种技术要达到应用的程度，可能还要15～20年。该中心还打算开展一项高效发动机技术研究计划，可望能在二氧化碳、烟雾和未燃尽碳氢化合物等排放物不增加的情况下，氮化合物减少50％。■