民用航空产品 创新的思考

张彤彤 刘忠

目前全球民机产品的创新研发主要集中在新能源、超音速、非常规气动布局等方面，民机制造商和相关科研机构也制定了相关战略，开始新产品的研制。但同时业界也有一些新的思考，那就是在众多的技术创新中，到底哪一个研发方向才最贴合市场需求？对于中国民机产业而言，应该将关注的重点放在何处才更有助于形成未来国产民机的竞争优势？

新能源飞机研发正当时

随着全球气候变暖负面效应的日益显现，减少碳排放成为各行各业亟待解决的难题。民航业碳排放量占全球总排放量的2.5%左右，寻求新的替代能源、改变传统燃油发动机的推进方式已成为主制造商布局未来航空市场的突破口。其中，电动飞机和氢能源飞机是欧美国家的主攻方向。

按照供能系统划分，电动飞机可分为全电和混电飞机两类。受电池能量密度的限制，全电飞机仅面向短距小型飞机的UAM（城市空中出行）市场。多家咨询公司和金融服务公司预测，全球UAM市场潜力巨大，到2040年全球城市空中出租车规模将超过43万架，整个UAM市场将达到1.5万亿美元。目前热度较高的电动垂直起降、短距起降等飞行器均属于UAM范畴。

据德国咨询公司罗兰贝格统计，截至2020年1月，全球在研电动飞机项目有216项，主要集中在北美和欧洲，且多为2017年后启动的新项目。

在我国，电动飞机市场也已经起步。辽宁通用航空研究院独立开发的全电动飞机“锐翔”已取得型号合格证和生产许可证，锐翔四座全电飞机RX4E已于去年成功首飞。广州亿航智能生产的全电动双座飞机Ehang 216也已获得美国联邦航空管理局的飞行许可。

除了全电飞机之外，混合电推进飞机也是行业研发的热点。这类飞机通过将燃气轮机和电力技术相结合，达到无噪声、高效率、低污染的推进效果。不过，虽然当前混合动力技术已应用于787、A380和A350、F35战斗机等，但电池仅作为辅助动力装置存在。

另外一种清洁能源的思路聚焦在氢能源飞机上。液氢的热值是传统航空燃油的2.78倍，燃烧过程不产生碳氧化合物和烟尘，氮氧化合物减少2/3，是真正意义上的环保燃料。如今，全球排名前十的机场都在尝试或已经部署了氢能基础设施，用于辅助交通和物流。

目前，欧美国家已涌现出一批中短程小型氢动力飞机项目。据波音公司最近的一项研究显示，最早到2025年氢动力将可用于商用航空领域。空客在今年4月取消E-Fan X混合动力验证项目后，制定了氢动力客机发展路线图，计划在2030～2035年间实现百座级以上氢动力客机的商业化。美国氢能源航空初创公司ZeroAvia在今年6月成功完成首次氢动力商用飞机试飞，并计划在2023年前完成10～20座级500英里航程的氢能源飞机认证并投入使用。

由此可见，目前全球氢能源飞机的发展处于成长期，我国开始从事氢能源飞机的研究正当其时。从目前来看，我国制氢、储氢、运氢尚未形成完整高效的产业链，基础设施缺口较大，未来需要燃料公司、机场、飞机制造商和航空公司多方的共同努力。

超声速客机研发需降温

如今，尽管航线上已无超声速客机的身影，但航空业从未放弃过对超声速客机的研发。

其中，NASA正与洛克希德·马丁公司联合研制安静超声速技术验证机Quesst X-59。该机能够以1.42马赫的速度在16.8千米的高度飞行，机上噪声可控制在60～65分贝范围内，预计2022年实现城市上空的飞行测试。成立于2014年的美国Boom技术公司正在从事XB-1的研究工作。该机型可容纳55～75名乘客，并在18.3千米的高度以2.2马赫的速度飞行，目前已完成大部分的设计制造并进入装配阶段，预计2021年开始试飞。成立于2002年的美国Aerion公司早在2004年就开始研制超声速公务机AS2，AS2最高巡航速度为1.4马赫，最大载客量为12人，公司希望能够在2025年完成取证并开始量产。

需要注意的是，今年6月美国国防部调整了11项关键技术的研发优先顺序，其中微电子、5G技术、生物技术的研发分别升至第1、第2和第4位，而超声速技术的研发则跌落至第3位。可见，在后疫情时代，速度或许不再是行业首先考虑的因素了。

就超声速飞行器本身来讲，其经济性和舒适性方面的表现不佳。现有民用机场的跑道多按照亚声速大涵道比发动机设计，无法承受高温加力喷流的灼烧，如将超声速飞机投入商用，现有基础设施的重建将会是一笔高昂的投入。与此同时，高速飞行与高油耗相伴而生，在强调可持续发展的今天，超声速飞机或许并不适合时代的需要。

非常规气动布局受关注

目前，航空业已达成一致，下一代飞机性能若想获得质的飞跃，就要打破常规，因此非常规气动布局的研究备受关注，较为热门的非常规气动布局包括翼身融合、斜拉翼、变体飞机、双气泡布局飞机等。

其中，翼身融合飞机被业界认为是最具发展前景的非常规气动布局飞机。翼身融合飞机是单一机翼布局，将机身和机翼融为一体，使飞机整体结构更为平滑，从而大大减少空气阻力，提高气动效率。

早在上世纪20年代初，尼古拉斯·沃耶夫斯基就提出了翼身融合的理论。随后英国制造出了第一架翼身融合试验机——“韦斯特兰无畏号”。该机在1924年的首飞中出现严重事故坠毁，后续项目被叫停。20世纪40年代初期，美国开始设计麦道XP-67战斗机的原型机，该机同样采用了翼身融合的外形，但第一架原型机在试飞过程中发动机着火，飞机被大火烧毁，项目被迫中止。20世纪60年代初期，美国又相继推出A-12和SR-71侦察机，二者均采用翼身融合外形，分别服役6年和25年，这也是第一批成功服役的采用翼身融合外形的飞机。

在有了一定的技術积累后，21世纪初，NASA和波音联合启动X-48项目，进一步探索翼身融合的相关技术。在长达15年的研制中，先后推出X-48B和X-48C两款无人驾驶验证机，重点研究翼身融合飞机的低噪声设计及稳定性控制。2017年，空客首次启动翼身融合飞机项目——Maveric，并于2019年首次试飞了Maveric概念机。

从非常规气动布局飞机的发展历史中不难发现，此类飞机安全性较低，短时间内不会成为航空市场的主流机型。当前该技术均运用于军机，民航领域进展缓慢。造成这一现象的主要原因是翼身融合飞机相较于传统气动布局飞机，纵向静稳定不足。无尾布局不易布置操纵面，操纵力臂较短，操纵效率低，三轴耦合严重，对民航驾驶员的水平和经验要求极高。

此外，目前民航客舱均为增压机舱，翼身融合飞机剖面形状不具备传统筒式机身分散压力的能力，设计过程中更要注重结构强度和机身解体问题。同时，由于翼身融合结构飞机的客舱内部空间与传统飞机也有很大差别，因此如何对其进行内部布局，既保证乘客的乘坐舒适性又能满足适航的要求，至今还没有有效的解决方法。此外，翼身融合飞机与现有机场设施的兼容性低，此类飞机相对于目前的航站楼登机口而言体积过大，若应用于民航，对现有机场设施的改造又将是一大笔投入。

对我国民机技术研发的启示

全球航空业正经历着前所未有的时代，新冠肺炎疫情的冲击影响了旅客结构、消费习惯、航司营运模式和行业竞争格局。随着“绿色航空”理念的发展与推进，环保性在未来民机研制中的权重将更加突出。

目前，欧洲已经推出了一系列政策，将大量资源投入新能源飞机的设计和研发。他们这样做不仅仅是为了满足未来民航运输业的环保需求，更是为了推动欧洲新能源产业发展，抢占民机新技術发展制高点。中国国产飞机未来要走出国门，一定要满足日渐严苛的环保标准，因此新能源飞机产品是未来布局海外市场的自然选择。

同时，新能源飞机的研制将带动国内气动布局设计、高能量密度电池、高效率电推进系统等多个学科领域的发展。以电动飞机的研制为契机，开展多行业共通核心技术攻关、开发具有自主知识产权的电动飞机产品，对于推动我国绿色航空、绿色交通发展具有战略意义。

相比之下，超声速飞机和非常规气动布局飞机则更适合用作军机和特种飞机，二者作为民机使用的经济性、安全性、舒适性和旅客接受度都低于新能源飞机。当前，国内市场已经涌现出多家有特色有实力的电动飞机企业，形成了一定的产业基础，而我国在超声速和非常规气动布局领域的技术储备尚浅，距离规模化应用还有很长一段路要走。

无论如何，全球新一轮技术浪潮正席卷而来，我国民用航空主制造商要把握机会，变中寻机，加快布局前沿技术，培育优势技术领域，提升产业话语权，掌握民机发展主动权。