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我看未来民用客机发展

2023-05-30张聚恩

航空世界 2023年2期
关键词:民机民用客机

张聚恩

近日,西北工业大学研制的翼身融合大型客机缩比试验机成功试飞的新闻刷屏网络。该试验机采用翼身融合外形,机身宽扁,与机翼平滑过渡,客舱则位于微微鼓起的机身下方。作为系列关键设计技术飞行验证的摸底试飞试验,此次试验进行了试验机的起降、通场、规划航线自主飞行等科目测试,圆满完成了预期的飞行计划。据悉,这种翼身融合布局的民用客机,具有气动效率高、结构重量轻、装载空间大、节能、环保等优点,是满足未来民机发展要求的革命性技术之一,可能成为下一代宽体客机的发展方向。

其实,对于未来民用客机发展前景,业界的基本共识是“四更”——更安全、更绿色、更经济、更舒适,或称四性(安全性、环保性、经济性、舒适性)指标持续提升。而对于民用客机的“快”和“大”,我的看法是“快而无极,大需有度”。此外,与民用客机发展密切相关,但超出飞机自身的“三化”(便捷化、智能化、个性化)趋向也应高度关注。

一、关于“四性”

1. 安全性

安全性从来都是民用客机的生命线。经过百年进步,民用客机的安全性已经达到很高的水准。民机安全性最重要的一条适航要求,就是“每一个因系统故障造成的飞机灾难性事件每飞行小时发生的平均概率低于10的负9 次方”。但近年来发生的一系列悲剧事件,如马航的一次失踪和一次被击落,德国一起驾驶员驾机自杀,波音737MAX 的两次同样原因造成的空难以及2022年我国东方航空公司那起机上123名乘客和9名机组人员全部遇难(原因至今尚未公布)的事故,将民用客机的安全性问题提升到新的认知高度。安全性问题将在以下两个方面对民航客机提出新的挑战:

(1)飞机自身的系统问题——决不能让737MAX这样的故障重演,从设计到适航审定,都需要更加严格和富有成效;在把新技术引入系统设计时,在安全性方面的负面影响必须充分评估和防范。

(2)航空运输系统要有防范各种人为因素造成事故的全面能力。从飞机自身对于非正常操作的禁止,到空中交通管理更加智能、提供足够聪明和无缝的驾驶飞行管理与服务,直至出现如新冠疫情这样的传染病时如何让乘客在机舱内感染的风险降到最低,都成为安全性面临的新任务。

2. 环保性

因两次重大空难在全球停飞的波音737MAX,在消除了安全隐患后已陆续在各国实现复飞。

空客公司于2020年公布了全球首款零排放民用飞机的3种概念机型ZEROe,其中一款采用涡轮风扇发动机的设计方案,一款采用涡轮螺旋桨发动机的设计方案,一款采用“翼身融合”的设计方案。它们均由改进的氢燃料发动机提供动力,以淘汰那些老旧的对环境不太友好的飞机。新机型计划于2035 年投入使用。

美國航空航天局(NASA)正在开发的“苏珊”亚声速混合电动客机设计独特,左右两个机翼下方各有一排呈阵列状分布的小型电动发动机,机身末端的发动机舱装有一台涡扇发动机,除直接为飞机提供推力外,它还能驱动发电机为机翼下的电机供电。通过这种分布式推进设计,“苏珊”有望保持与现代喷气式客机相同的速度和航程,将单位座位的燃料消耗减少约50%,同时改善飞机的起降性能,并减少噪声。

环保性的要求越来越高,并成为强制性指标,绿色航空成为准入门槛。2020年国际航空运输协会(IATA)发布了《2050年飞机技术路线图研究》报告,提出到2050 年航空运输业二氧化碳排放总量比2005 年减少50%,氮氧化物排放减少90%,噪声减少65%;飞机在机场的移动采用燃料电池驱动。自2009 年航空业提出实现高级别气候行动计划以来,已推出多个实现民航碳排放目标的技术解决方案。新能源飞机成为民用客机的主要方向之一,通过采用多种能源组合实现高效运行与节能减排,是航空运输业的重要发展趋势。空客公司在2020 年发布的ZEROe 计划,采用改良的飞机构型和动力形式,计划2035年开始将几种以氢为主要能源的商用飞机陆续投入运营,有可能在全球首开零排放商用飞机之先河。

3. 经济性

经济性包含两个方面的含义,一是要使运营民用客机的商业公司有钱可赚,重点是降低飞机的燃油消耗或其他能源成本,使单机成本和直接运营成本尽可能降低,为运营商带来更高的收益;二是制造商要能按预期获得市场回报,得以步入良性循环。据统计,研制一种大型干线客机,要花20_50亿美元,需耗用8_10年时间,盈亏平衡点一般不低于300 架。使制造商在可预测的销售量之下获得盈利,是民用客机创新发展的活力来源之一。经济性与飞机推进系统性能关联密切,提高经济性的主要技术方向是革新能源类型和动力样式;持续进行新布局研究,提高气动效率,以及引入智能制造技术,使生产效率更高,也是重要方向。

4. 舒适性

舒适性虽说是乘客个体的体验与感受,但普遍的舒适性要求仍是客观和必要的,主要依靠人性化设计来实现。客舱空间的设计、客舱环境的设计、旅途中(特别是长途旅行)所能享受的机上服务,是直接面向乘客的基本内容,而通过改进发动机和全机设计,降低振动和噪声,是更为重要的内容。

二、关于“三化”

空客公司多年前就曾发布过一种采用透明机舱的未来概念客机,其设计灵感来自大自然,让乘客可以享受全新的旅行体验。

除“四性”外,“便捷化”“智能化”“个性化”也成为趋势性要求,但这“三化”的共同点是超越民用客机自身的创新发展,而与航空运输系统相关联,或为多项先进技术在民用客机设计、制造和使用中的深入应用。

1. 便捷化

包含快捷和便利两方面内容。航空运输系统需要不断提供更高的飞行和运行速度,以满足社会经济生活的高节奏、快速化需求;当然,飞行器的速度也必将持续提高,超声速客机即将归来。开发高效、经济、环保的商用超声速运输系统,将改变横跨大陆和洲际间运输的游戏规则,在实现快速化的努力中具有突破性意义。航空运输系统应该纳入地区或国家立体交通大系统,围绕客户“门到门”而非“点对点”进行“便利性”的规划和评价,以确保所有客户全程旅行时间最短、接驳最为顺畅。

2. 智能化

近年来,人工智能(AI)技术突飞猛进,其有望在以下两方面直接推动民用客机发展。第一,在民机开发中,更多地应用AI 技術;AI 虽不构成独立的民机使用目标,但多方面地体现在“四性”的实现中。智能制造将大大优化资源配置,提高自动化程度,达到降(成)本增(产)能提质(量)的效果;将AI 技术嵌入更先进的飞行控制系统,变革人机界面、改善飞行方式,其应用前景值得期待。第二,将AI 技术用于革新空中交通管理系统,以显著提升运行效率和服务水平。

3. 个性化

未来民用客机的发展将呈现一定程度的以“定制”为主要特点的“个性化”,提供充分满足用户需要的产品和灵活的服务。当前在谈到“个性化”时,更多地体现在各类通用航空器,而非传统分类里的民用客机或商用运输飞机,如私人/ 公务飞机、与未来城市交通系统相伴的垂直起降飞机和应急救援飞行器等的发展中,但民用客机的未来发展也与此相关。而如果讨论整个民机领域的未来发展,个性化/ 定制性则是必须考虑的重要趋向之一。

三、关于“快”和“大”

对于民用客机未来发展趋势,更大的关切在于速度和大小(几何尺寸)。“快”和“大”几乎是航空发展的永恒议题,对于民用客机更为具体和迫切。笔者的看法如本文标题,快而无极,大需有度。对于速度的追求没有极限,只要技术上可以实现,不悖逆作为前提的“五性”要求,飞行自然是越快越好,诚如前面谈及“便捷性”时的超声速客机归来;未来也许还会有更高速度的民用客机。

上海峰飞航空科技推出的eVTOL飞行汽车V1500M,这种未来城市交通系统将为人们提供更灵活与个性化的出行选择。

这款X-48B翼身融合概念机一直被盛传是波音797的验证机,其宽大的翼身融合体内可布置更多的座位,如能成真,绝对堪称客机中的巨无霸。

而说到“大”,到底造多大的客机,主要不是技术实现的可能性问题,而是是否有这样的真实需求,这就是“度”的含义。如果只说“大”,只说载重,最大的运输类飞机安-225可以载运2000名乘客;据传的波音797 翼身融合概念机可搭载千名以上乘客。而现实中全球最大的两款民机—— 空客A380和波音747先后关闭生产线,则说明比“大”更重要的是适用性,是商业成功。展望未来一二十年,把“快”和“大”结合起来的最好机型仍是双发、单层、宽体的高亚声速/ 超声速客机,促其进步的要素是能源/ 动力、绿色与经济要求的高水平满足。

四、产品发展动向

综合上述认知,未来民用客机产品发展的主要动向为:

1. 高效亚声速干线客机

通过发动机进步和动力电气化、新构型(翼身融合、发动机嵌入/ 半嵌入机身、支撑翼、连接翼等)的研发与应用、先进技术(材料、结构与制造等)的采用,实现实质性效率提升,以更低成本获得比现役飞机更高的经济效益,形成不同座级(100 _ 200、200 _ 300 及以上)与不同航程的多样化组合。

2. 喷气化支线飞机

支线飞机的主流向“喷气化”和“大座级”发展,与低端干线飞机无缝衔接。并将率先采用新能源、基于大功率储能电池的新动力装置,而获得经济性、环保性与便捷性的综合性能提升。

3. 超声速客机

新一代超声速民用飞机技术日趋成熟,声爆/ 噪声控制、结构重量控制、飞行控制等技术全面提高,有望在公务机上得以集中采用,进而推出远胜于“协和号”的超声速客机,以满足把洲际飞行缩减到5 小时上下的快速化要求。

五、技术创新发展方向

进入21 世纪以来,基于信息技术的数字化/ 智能化和基于绿色低碳化技术的新能源/ 新动力两大技术集群,突飞猛进并融合发展,成为社会经济发展的强大动力,也为未来民用客机发展注入了强劲的驱动力。未来民用客机技术创新发展的主要方向将在这两个方面展开。具体包括:

1. 民用客机的数字化/ 智能化技术研究与应用

这种跨声速桁架支撑机翼布局的客机构型已经完成了一系列风洞试验,桁架结构使机翼在超高展弦比的情况下也拥有足够的结构强度,同时还能显著减小阻力与振动。

美国Boom公司计划研制一种新型超声速客机,速度可达1451英里/ 小时,飞行高度约6 万英尺,是目前普通航班的两倍。

2022年12月29日,中国商飞正式向市场交付第100架ARJ21飞机。自2016年6月28日成功首航以来,ARJ21已开通航线316条、通航城市118座、安全载客近 600万人次。这张照片拍摄于2022年8月10日,参加全国青少年无人机大赛的部分北京选手和工作人员与ARJ21 总设计师陈勇(后排左6)合影。

掌握并综合运用先进航电、自动控制、人工智能、北斗导航、大数据、云计算等信息技术新成果,提升飞机设计、制造、运维、服务等全生命周期的数字化与智能化水平,加强系统安全保障能力,降低成本、提高效率。

2. 民用客机的新能源应用和低碳化动力系统研发

持续开发先进的电气化、电力推进、混合动力、氢能源、替代燃料等新能源/ 新动力技术,推进技术验证,加快在民用客机领域的多方位应用,实现绿色航空目标。

3. 更加安全高效的民用航空运输系统开发

综合运用数字化、智能化、自动化、个性化、系统工程等手段与工具,发展新一代航空运输系统,提高运行效率与监管水平,提升运输能力和服务质量。

4. 跨领域、多专业新技术在民用客机的融合应用

探索先进材料、仿生、量子、脑机接口等新技术在民机领域应用的可能性,开发适用于民航运输系统的建模与仿真、分析工具与测量等适用技术,增强多学科综合设计能力,助推新型民用客机及其推进系统的创新发展。

我国自主研制涡扇民用客机的事业在经历坎坷曲折之后,终于上升为国家意志,并取得重大历史性进步。ARJ21涡扇支线客机已累计交付100架,载运乘客逾560万人次;C919渦扇干线客机于2022年12月交付首架,即将展开商业运营。但总体来看,我国民机产业的基础仍十分薄弱,工程经验尚待积累,自主保障能力亟须加强。面向未来,中国民机市场巨大,国家禀赋优良,只要坚定意志,务实苦干,必将取得新的进步,在我国航空产业中尽早补齐补强民机板块,最终实现航空强国的伟大目标。

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