那些令人期待的新技術

董幗雄

波音公司創(chuàng)始人威廉·波音曾經(jīng)說過：“不要因為一句‘這做不到而放棄任何一個創(chuàng)新構想。”

回顧航空業(yè)一百多年的發(fā)展歷程，從最初使用帆布與木材制造飛機，到如今大量使用復合材料的新一代飛機，再到未來采用全新布局的下一代飛機，創(chuàng)新精神讓航空業(yè)將越來越多的不可能變成了可能。雖然現(xiàn)在看來，很多創(chuàng)新技術從實驗室走到生產(chǎn)線還需要很長的時間，但它們代表的是民機制造業(yè)的未來。

波音進入電動飛機市場

在100多年的發(fā)展歷程中，波音將絕大部分精力用在研發(fā)大型、遠程商用飛機領域。如今，波音開始著手進入之前不太關注的小型支線飛機市場。

實際上，擁有百年歷史的波音，其研制的首款主流客機是12座的Model80三發(fā)飛機。在2000年左右，波音曾有過重回支線飛機市場的念頭。這一次，波音將注意力放在了利用新能源與先進技術生產(chǎn)運營成本更低的小型飛機。

波音之所以想要涉足這個領域，是因為目前市場上20～50座級的通勤飛機主要是一些老舊的渦槳飛機，其中很多已經(jīng)停產(chǎn)。2013年，安柏瑞德航空航天大學的一項調(diào)查顯示，預計到2030年，全球大約需要8000架這一座級的支線飛機，運營商迫切需要性能和運營效率更高的替代產(chǎn)品。

2017年，波音正式將設想變?yōu)樾袆印?017年4月，波音宣布投資位于華盛頓的Zunum公司，支持該公司研發(fā)12座的混合電推進通勤飛機。這一新機型預計在2022年左右完成取證。按照分工，Zunum公司將負責研發(fā)飛機的動力系統(tǒng)，波音負責機體和系統(tǒng)集成工作。

隨后，波音又宣布將在2020年代早期開始一項小型混合電推進X驗證機的測試，并將其作為公司“環(huán)保驗證機（EcoDemonstrator）”技術驗證平臺系列的一部分。如果該驗證機研制成功，將為波音開啟一扇通往新一代12～50座級小型支線客機市場的大門。

根據(jù)公開信息，Zunum公司正在研制的飛機大小與皮拉圖斯公司的PC-12相當。飛機最大起飛重量低于12500磅（5670千克），最大航程超過700英里（1126公里），巡航速度達到340英里/小時（547公里/小時）。飛機上有一個1兆瓦的混合電推進系統(tǒng)，使用燃油的500千瓦發(fā)電機、充電電池和電驅(qū)動雙涵道風扇，可以按照最新修訂的FAR23部進行適航取證。

根據(jù)Zunum公司的設計，這款飛機的電池占全機最大起飛重量不超過20%，飛行過程中僅攜帶800磅（363千克）燃油，而同等大小的PC-12飛機要攜帶2700磅（1225千克）燃油。值得一提的是，這款飛機所用的電池以模塊形式安裝在機翼內(nèi)，在飛機維護過程中可以進行更換，而這也是Zunum公司的一項核心技術。運營商在飛機進行C檢的過程中還可以更換電線，提高電壓。Zunum公司的設想是，允許運營商在兩次飛行之間給電池充電或者更換電池，節(jié)省停機時間。

Zunum公司的目標是將運營成本，包括燃油、電力和電池降到每座英里8美分，或者每小時250美元。與如今在航線上運營的PC-12和比奇空中國王相比，Zunum公司研制的新飛機的運營成本降低了3～5倍。根據(jù)計劃，Zunum公司將在2018年開始這款飛機的初步設計評審，2019年開始關鍵設計評審。

如果Zunum公司基于高功率密度電池的混合動力系統(tǒng)在商業(yè)上具有可行性，波音下一步可能會將這些技術集成到X驗證機上進行進一步飛行驗證。波音的終極目標是生產(chǎn)一款運營成本比現(xiàn)役同等大小飛機低80%的混合電推進支線飛機。

超聲速客機再現(xiàn)藍天

2017年年末，日本航空公司宣布與XB-1超聲速飛機的制造商博姆技術公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，在簽訂20架超聲速客機可選訂單的同時，投資1000萬美元用于這款飛機的研發(fā)。這是目前所有在研超聲速客機項目中，唯一得到航空公司“真金白銀”投入的項目。這款超聲速飛機的目錄價格為2億美元，目前已經(jīng)收到包括日本航空、英國維珍航空在內(nèi)的76架訂單，可見超聲速客機確實存在市場需求。

XB-1是博姆技術公司計劃研制的載客55人、巡航速度Ma2.2的超聲速客機的1：3縮比驗證機。XB-1驗證機的實物模型于2016年11月首次展出。該驗證機為2座，最大起飛重量4.99噸，長20.7米，翼展5.2米，采用三發(fā)三角翼布局，發(fā)動機為無加力燃燒室的、可變進氣口和噴管的GE公司J85-21發(fā)動機。

博姆技術公司最初的設計方案是采用J85系列發(fā)動機的民用型號——CJ610，但考慮到軍用型號J85-21渦噴發(fā)動機具有更大的推力（單臺推力1588千克），最終改用后者。博姆技術公司希望，利用現(xiàn)有結構、先進氣動和推進技術研制一款成本可控的超聲速客機，使人們能夠以現(xiàn)在民航飛機公務艙票價實現(xiàn)超聲速飛行。根據(jù)設計，這款超聲速飛機的速度要比上世紀60年代的“協(xié)和”超聲速飛機快10%。

作為這個項目的戰(zhàn)略合作伙伴，日本航空對超聲速客機的追求由來已久。早在1963年，日本航空就曾訂購過3架“協(xié)和”飛機，后來由于受到石油危機的影響而不得不取消訂單。此后，日本航空也曾訂購過8架波音2707超聲速客機，但該項目最終被取消。

長期以來，日本政府高度關注超聲速客機技術的發(fā)展，投入了不少研發(fā)資金。日本宇航院（JAXA）目前正在進行超聲速和高超聲速客機的概念研究。根據(jù)有關資料，JAXA正在研發(fā)一種低聲爆、巡航速度Ma1.6、航程3500海里的超聲速客機，預計2030年左右投入運營。

如今，距離“協(xié)和”飛機的研制已經(jīng)過去了幾十年，一些此前無法實現(xiàn)的性能指標，隨著新材料和新技術的涌現(xiàn)，將有望逐一實現(xiàn)。過去，由于“協(xié)和”飛機機身采用了金屬材料，使得飛機的巡航速度難以超越Ma2.0。如今，博姆技術公司通過采用輕質(zhì)復合材料，輕而易舉地解決了這一難題。機身主結構使用的碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料在350華氏度（177攝氏度）固化，可在250華氏度（121攝氏度）下使用，這對于Ma2.2巡航速度下大面積機體表面已經(jīng)綽綽有余。但機翼前緣和機頭駐點位置的溫度會更高，因此博姆技術公司計劃在機身采用中等模量碳纖維，翼梁采用高模量碳纖維，雙馬來酰亞胺樹脂（一種改性的環(huán)氧樹脂，力學性能和耐熱性能比環(huán)氧樹脂好）用來代替環(huán)氧樹脂用于高溫前緣和翼肋。為SpaceX公司的“獵鷹9”火箭提供耐高溫材料的荷蘭TenCate公司，將為XB-1驗證機提供耐高溫復合材料。

2017年6月，XB-1驗證機通過初步設計評審，預計2018年下半年將進行亞聲速試飛，2019年進行超聲速試飛。如果一切順利，時隔15年后，天空中將再次出現(xiàn)超音速客機的身影。

全新外形VS傳統(tǒng)設計

近年來，傳統(tǒng)氣動外形對于提升飛機的性能究竟還有多大的改進空間，一直是業(yè)界熱議的話題。如今，層出不窮的全新飛機氣動外形在理論上具有明顯的優(yōu)勢，但從紙面到實際應用，還有很多的不確定性。因此，歐美飛機制造企業(yè)一方面不斷通過精細化設計，深入挖掘傳統(tǒng)布局客機的氣動效率，另一方面也在加快全新布局飛機的研發(fā)。

著名工業(yè)設計師弗朗索瓦？德？瓦特維爾近年來開始關注商用航空市場，探索通過精細化氣動設計，不借助先進結構技術和先進發(fā)動機，能夠在多大程度上提高飛機的氣動效率。

2013年，瓦特維爾提出了250座級的AGA-33概念客機方案。如今，瓦特維爾更新了設計理念，又提出了220座、與空客A321同級別的AGA-30概念客機方案。AGA-30概念客機采用CFM56發(fā)動機，通過精細化氣動設計，這款飛機比采用LEAP-1A發(fā)動機的A321neo的燃油效率提高30%，航程可達到7000公里。

公開資料顯示，瓦特維爾的設計思想是采用現(xiàn)有的成熟材料和發(fā)動機，在增加翼展的同時減小浸濕面積，從而使升阻比最大化。AGA-33概念客機的翼展68米，升阻比達32。相比之下，波音787-8的升阻比僅為20。另一款稍小一點的AGA-30的翼展為61.5米，升阻比為30。

通過采用圓截面細長型機身來最小化重量和阻力，AGA-30的巡航速度可達到Ma0.75，這一巡航速度相比目前的窄體飛機很有競爭力。盡管這種變截面機身的設計比較復雜，但是難度遠不及復合材料結構設計，值得業(yè)界關注。

NASA正在研發(fā)的帶后置附面層推進的單通道渦輪電推進飛機方案（STARC-ABL），采用已經(jīng)十分成熟的管狀機身加機翼的總體構型，由于采用混合電推進技術，飛機燃油效率也有不小的提升。

STARC-ABL采用部分渦輪電推進架構，在機翼下方安裝了兩臺渦扇發(fā)動機提供推力，這兩臺發(fā)動機還可以對安裝于機身尾部的風扇提供電力，從而為飛機提供部分推力。尾部風扇對機身附面層的抽吸作用可為低能氣流注入能量，還可獲得減阻收益。而更小的阻力意味著可以減小動力需求，制造商可縮小翼下發(fā)動機的尺寸，抵消因電力系統(tǒng)、后置風扇和短艙帶來的額外重量增加。因此，盡管STARC-ABL采用傳統(tǒng)的飛機構型，但依舊可比同等技術水平的傳統(tǒng)飛機降低7%～12%的油耗。

目前，在NASA電推進飛機研究項目下，STARC-ABL方案作為下一代單通道客機驗證機方案的組成部分，正在不斷完善中。根據(jù)規(guī)劃，NASA將在2025年左右試飛該驗證機，用于驗證2035年左右服役的下一代單通道客機的一些關鍵技術。

在歐洲，空客正在“凈潔天空”計劃的支持下，進行層流機翼研發(fā)。“凈潔天空”是歐洲航空航天工業(yè)界的龐大計劃，包括固定翼飛機、旋翼機和可持續(xù)與綠色發(fā)動機等子計劃，由21家企業(yè)參與投資并對關鍵技術進行集成驗證，成果將提供給“凈潔天空”聯(lián)合執(zhí)行機構，在計劃參與者之間共享。

空客層流機翼的研發(fā)是在“歐洲突破性層流飛機驗證平臺”（BLADE）下進行的。BLADE則是“凈潔天空”計劃中投資約4億歐元的亞聲速智能固定翼飛機計劃的一部分。

層流翼型是一種為使機翼表面保持大范圍層流、以減小阻力而設計的翼型。與普通翼型相比，層流翼型的最大厚度位置更靠后緣，前緣半徑較小，上表面比較平坦，使機翼表面盡可能保持層流流動，從而減少摩擦阻力。在空客位于法國塔布的飛行試驗室，層流機翼被安裝在一架A340-300驗證機上。

這架A340-300驗證機進行了耗時16個月的深度改裝。一號和四號發(fā)動機之外的機翼被“殘忍地”切掉，換成了層流機翼試驗段，試驗段的前緣后掠角相比原機翼減小了20度。兩個試驗段采用了兩種不同的設計方案，其中一個是GKN公司設計的、采用分離式前緣和上表面的金屬機翼，另一個是薩博公司設計的整體復合材料試驗段。

為了收集試驗數(shù)據(jù)，空客在機翼上設置了數(shù)百個測量點用于測量機翼表面的空氣波紋，以幫助工程師確定其對層流的影響，這也是空客首次在飛機上使用這種測試方法。此外，空客對這架飛機的深度改裝還包括在飛機吊艙內(nèi)使用紅外攝像機來測量機翼溫度，使用聲波發(fā)生器來測量噪聲對層流的影響。同時，這架A340-300也是世界上第一架將跨音速層流翼型真正與內(nèi)部主要結構相結合的測試飛機，在機艙內(nèi)集成了監(jiān)測兩個跨聲速層流外翼的飛行測試儀表站。

2017年9月26日，空客A340-300“層流機翼驗證機”進行了首飛，首次測試飛行時間長達3小時38分鐘。驗證機的機身上寫滿了項目參與公司的名稱，其中不乏賽峰、達索等耳熟能詳?shù)拿帧?/p>

按計劃，2018年這架驗證機將完成150個小時的飛行試驗。空客宣稱，使用層流機翼技術可以降低50%的機翼摩擦阻力、5%的二氧化碳排放，提高4%以上的燃油經(jīng)濟性。