商用飞机先进技术研究及展望

摘要：重点介绍了近年来商用飞机领域的先进技术，并对未来商用航空发展趋势进行了展望。针对商用飞机开展的研究不但可有效提升相关领域的技术水平，同时对民用航空运输的发展亦大有裨益。

关键词：商用飞机;先进技术;飞机设计;民用航空运输

0    引言

近年来，随着民用航空运输领域的不断发展，针对商用飞机的技术研究得以全面开展，其技术水平也得到了飞速提升[1]。商用飞机通常是指搭载大量乘客而进行远程飞行的喷气式飞机，目前在世界范围内已形成了少数几家大公司占主导的格局。

1    商用飞机的先进技术

为了满足减轻重量、降低噪声、减少排放、系统鲁棒性、运行安全性及经济性等设计需求，商用飞机领域引入了越来越多的先进技术，例如，复合材料技术，平视显示器（HUD），语音识别，全球定位系统（GPS）接收机，点对点惯性导航仪，完全基于数字视频显示的可重构数字仪表显示器、多普勒雷达，电传操纵（FBW）或光传操纵（FBL），实时计算机故障检测和隔离。其中，复合材料技术是飞机减重的关键技术。下文重点介绍了当前商用飞机上所采用的先进技术。

1.1    先进的亚声速运输机

对于亚声速运输机，关键先进技术的应用包括：重心（CG）管理系统（例如采用垂直安定面油箱）;复合材料的主、次结构;带有高载荷減缓技术的超临界机翼，混合层流控制及高升力系统;先进涡轮风扇发动机[2-5]，电传操纵及电传动力（PBW）;钛合金起落架;铝锂合金或金属复合材料机身结构以及增稳装置。即使在目前并未得以广泛应用，但上述许多新技术正被引入现今的飞机设计中，也将成为未来飞机应用的常规技术[6]。

1.2    先进的超声速运输机

对于超声速运输机，相关先进技术的应用包括：综合视景，侧杆控制，先进的轻质材料，混流式涡轮风扇发动机，负静余量，混合压缩进气口，改进超声速巡航效率的箭翼，FBL、PBW飞行控制装置及俯仰自动控制[7]。

1.3    机体技术

飞机结构技术的改进将来自于先进材料和集成技术。集成计算机代码可同时兼顾空气动力学和强度方面的要求，因此，计算机辅助设计成为在系统工程框架内评估物理接口的先进工具。复合材料的运用使其可通过更大的展弦比减轻重量，并提高性能。先进的加工技术使得部件数量最低化的设计成为现实。就复合材料结构而言，其虽然能够避免一些金属结构的缺点，例如金属疲劳，但是复合材料的分层是其一大弱点。因此，采用这种类型的结构之前，需着力解决这些技术问题。

1.4    空气动力学的改进

新的空气动力学技术包括使用压力敏感涂料和计算流体力学（CFD），这些技术将允许采用多点机翼的设计，以达到最低的巡航阻力特性和高仿真的抖振补偿边界。另一个目标是带有大型高涵道比（HBPR）发动机的机翼的高效气动翼型。另外还有具有较高空气动力学效果但成本低廉的高升力系统。

1.5    噪声控制

主动噪声控制可以降低座舱内噪声，而不会导致飞机大幅增重。这种技术引入了与主噪声相反的二次噪声源，以此抵消主噪声。该技术控制的噪声可覆盖较宽的频率范围，以抵消发动机噪声和边界层噪声。控制边界层噪声对于高速民用运输机（HSCT）而言尤为重要。

1.6    光传操纵（FBL）、电传操纵（FBW）及电传动力（PBW）技术

光传操纵（FBL）将基于多路复用光学的子系统引进飞机设计过程中，该技术可有效减轻布线重量，降低暴露于电磁干扰（EMI）的危害，并因无须对全机子系统试验而简化合格审定过程。电传动力（PBW）和电传操纵（FBW）可以减轻飞机重量，且不需要用于次级动力子系统的发动机引气及变速传动装置。光传操纵（FBL）、电传操纵（FBW）及电传动力（PBW）技术可以提高可靠性，降低维修成本，并减轻飞机重量。

1.7    综合视景能力

综合视景能使驾驶员使用可视化图像和导引手段来洞察天气和补偿低水平照明条件。这些子系统可能使用基于卫星的导航、成像传感器及高分辨率显示器，以使操作有更高程度的自主权。

1.8    推进控制飞机

通过推力调节而非通过操纵面控制的飞机在灾难性事件（包括恐怖事件）中存活概率更高，并能在局部故障状态下更好地运行。驾驶员能通过使用推进控制机制而维持部分对飞机的控制。

1.9    自动货物装卸

空运货物装卸改进方法（IMACH）是改进货物装卸各大技术的集成，这些方法侧重于搬运功能，主要考虑对大型的及更复杂的货物的搬运以及自动化特点。IMACH可以使托盘货物的移动完全自动化，这项改进可缩短地面转场时间，对于航空公司客户而言，转场时间是一项主要的成本因素。

1.10    高速民用运输机（HSCT）

新兴的先进技术一直是推动高速民用运输机（HSCT）发展的关键。这些技术包括先进推进系统及先进的材料，其可用于管理与飞行马赫数2.4量级相关的温度条件。业界正在研究空气动力学和技术集成、推进、结构和材料、驾驶舱系统以及关键的环境问题，包括音爆、机场和社区噪声及排放领域。

1.11    人为因素

人的因素早已成为影响飞机设计的关键因素之一，特别是在驾驶舱布局方面。其关键要求包括用于解决高负荷工作和驾驶员疲劳驾驶之间的矛盾及相关危害的新技术。与设计系统相结合，采用先进的可视化系统作为系统工程的一部分，可以提供成本效益高且快速的打样方法，以评估和调整设计。

1.12    先进设计系统

飞机设计的复杂性驱使航空工业致力于开发先进的设计和仿真系统。在许多情况下，这些系统提供的设计信息比完全依赖风洞试验更快、更经济。结合先进的可视化技术，这些系统均已足够成熟，可为研究及飞机设计和工程试验提供理论依据。计算机辅助设计工具与基于每个机型的培训试验之间存在较强的协同作用。对新机型而言，飞行特性的建模较为准确，由此可获得型号等级认可。在商用飞机行业，仿真已被确立为系统工程的主要驗证技术之一。

1.13    飞行包线保护功能

飞行包线保护是近年来出现的全新系统。电传操纵通过飞行包线保护编程增强安全性，此举使得驾驶员能自如地驾驶飞机，而防止任何非正常运行方式，如失速、飞行速度过快或出现过载等现象。

1.14    翼身融合技术（BWB）

在1997年与波音公司合并之前，麦道公司最初设想的翼身融合体是一个预期能更经济地运送更多乘客或货物的概念。其类似于一个飞翼，但包含了机翼和机身，而且机翼和机身能平滑地结合在一起。与传统飞机相比，BWB在运营成本、燃油效率、总重量和氮氧化物的排放量方面更具优势。

尽管这个概念很有前景，但是BWB仍面临许多挑战。该概念的一大弊端是，对于目前的航站楼登机口而言，这种飞机体积过大。经过研究发现，机翼折叠也不可行。这类飞机面临的其他挑战包括结构和材料、空气动力学、控制、气动结构一体化、推进机体结构集成、系统集成及保障设施等方面。

1.15    商用飞机制造工艺

近年来，世界范围内的商用飞机制造业逐渐由手工制造向大规模生产转变。虽然商用飞机的生产过程许多方面与汽车非常类似，但是商用飞机的设计和制造更加复杂。飞机制造是一个小批量生产过程，其复杂性由以下几方面引起：依赖于高度集成的高科技子系统、先进材料的使用、详细说明的规范和极其严格的试验。系统工程可在解决这些问题时发挥重要作用。

2    商用航空运输未来发展趋势

2.1    经济性及监管的压力

商用飞机领域的压力来自各个方面，既有经济方面的也有监管方面的，其中经济压力主要来自于航空公司客户[8]。由于相关压力的推动，效率更高的发动机应运而生[9-10]，设计也会产生根本性的变化，例如上文所述的翼身融合技术。

飞机的4D航迹是在原有的三维空间基础上增加时间轴，被称为“四维导引”。这意味着事实上任何的延误都会导致航迹的扭曲失真，甚至严重到飞行高度层的改变或水平位置的改变。而4D导引的优点则包括：优化航空公司运营，降低成本及缩短时间，减少尾气排放并减少管制员的工作量。

其他压力，尤其是对发动机制造商的压力主要来自于减少碳排放量以及降低发动机噪声等方面。

2.2    部件采购趋势

部件采购的最新趋势是航空公司自身购买或租借个别的部件，而不采用飞机研制方指定的供应商提供的部件，这些零部件可能是各种阀、泵、风扇等。虽然经济利益对于飞机运营商非常重要，但是如果购买的部件不满足航空质量要求，航空公司将会面临更大的风险。最重要的一点是，这些零部件的工作环境对于不同的航空公司、不同的飞机和不同的飞机区域可能各不相同，例如，飞机发动机短舱内的环境温度与货舱相比会更高。因此，飞机运营商有责任保证所有以这种方式采购的零部件均满足飞行要求。

3    结论及展望

商用飞机具备较高的使用价值，未来在民用航空运输领域依然会扮演着重要角色，针对其开展的技术研发亦有着重要意义。而相关领域技术水平的不断提升，必将创造民用航空运输领域的明日辉煌。

[参考文献]

[1] 伍赛特.民用飞机节能技术研究及展望[J].节能，2019，38（9）：38-40.

[2] 伍赛特.航空发动机效率提升技术研究及展望[J].节能，2019，38（7）：164-166.

[3] 伍赛特.航空发动机燃烧室设计研发过程研究综述[J].上海节能，2019（7）：584-588.

[4] 伍赛特.民用航空发动机降噪技术研究及展望[J].机电产品开发与创新，2019，32（4）：55-57.

[5] 伍赛特.民用航空发动机制造技术现状及未来趋势展望[J].现代制造技术与装备，2019（3）：13-15.

[6] 伍赛特.军用飞机技术现状研究及未来发展趋势展望[J].机电信息，2019（21）：146-147.

[7] 斯科特·杰克逊.商用飞机系统工程特定领域应用[M].2版.钱钟焱，赵越让，译.上海：上海交通大学出版社，2016.

[8] 陈迎春，李晓勇，宋文斌.商用飞机的经济性设计[J].民用飞机设计与研究，2014（1）：1-5.

[9] 梁春华.商用飞机发动机几项关键新技术[J].国际航空，2002（9）：53-54.

[10] 郑占君，陆清，尤琦.商用飞机研制需求管理技术研究[J].航空科学技术，2013（2）：50-51.

收稿日期：2020-01-08

作者简介：伍赛特（1990—），男，湖南邵阳人，工学硕士，助理工程师，研究方向：内燃机与动力装置。