吳戈

隨著世紀(jì)的交替，民用運(yùn)輸機(jī)也呈現(xiàn)出嶄新的局面。對(duì)于大型民用客機(jī)的研制仍然是波音和空客兩強(qiáng)為主，但在支線(xiàn)機(jī)的研制上，多頭爭(zhēng)霸的局面已經(jīng)形成。在技術(shù)上，現(xiàn)有機(jī)型日臻完美，超音速客機(jī)和超大型飛機(jī)的前景初露端倪，亞音速運(yùn)輸機(jī)將有重大突破，飛機(jī)運(yùn)行方式也將發(fā)生革命性變化。但是，由于這一高技術(shù)領(lǐng)域固有的高投入和高風(fēng)險(xiǎn)，其整體發(fā)展必然是漸進(jìn)式的，而不會(huì)是跳躍式的突變。

整體水平將漸進(jìn)提高

對(duì)于未來(lái)的民用運(yùn)輸機(jī)和航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，各大飛機(jī)公司和研究機(jī)構(gòu)都在投入人力物力進(jìn)行研究，其中花力氣最大的可能要數(shù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）。近來(lái)在一些專(zhuān)業(yè)報(bào)刊中，經(jīng)?？煽吹竭@類(lèi)研究報(bào)告和文章，其中有不少是出自于NASA的研究結(jié)果。有人認(rèn)為，在未來(lái)20年內(nèi)，航空運(yùn)輸業(yè)仍將向著更安全、更便宜、更利于環(huán)保、更能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。具體目標(biāo)NASA認(rèn)為：飛行安全性提高10倍，飛行成本降低50％，海外旅行時(shí)間減少一半，大大降低飛機(jī)噪聲和廢氣排放；在新機(jī)型研制上，從概念提出到技術(shù)驗(yàn)證，其周期可縮短一半……

然而在實(shí)現(xiàn)途徑上，至少21世紀(jì)初，民機(jī)的發(fā)展方向，其主題仍將是漸進(jìn)發(fā)展和降低成本，而不是完全的革新和在性能上的根本突破。雖然也會(huì)出現(xiàn)一些滿(mǎn)足新興市場(chǎng)的新機(jī)型，但制造商的重點(diǎn)可能不是推出創(chuàng)造性的新設(shè)計(jì)，以及用更少的燃料飛得更快、更高、更遠(yuǎn)上，而是更為重視充分挖掘現(xiàn)有機(jī)型的潛力（比如發(fā)展增程型或加長(zhǎng)型），降低生產(chǎn)成本和飛機(jī)噪聲對(duì)環(huán)境的影響。

在民機(jī)的發(fā)展上，新的航空電子設(shè)備、結(jié)構(gòu)材料、生產(chǎn)工藝、數(shù)據(jù)通信、運(yùn)營(yíng)理念、環(huán)境要求和市場(chǎng)需求的變化等都將起到?jīng)Q定作用，但這種種因素將怎樣出現(xiàn)，怎樣產(chǎn)生影響是很難確切預(yù)測(cè)的。尤其是目前，飛機(jī)制造商的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃、市場(chǎng)研究和發(fā)展戰(zhàn)略，與競(jìng)爭(zhēng)激烈的空運(yùn)業(yè)本身固有的壓力與需求并不一致。因此，雖然在50年代，未來(lái)學(xué)家就預(yù)計(jì)2000年將出現(xiàn)載客千人、數(shù)小時(shí)即可完成遠(yuǎn)距飛行的超音速航班客機(jī)。但是，2000年已經(jīng)到來(lái)，民機(jī)雖不斷發(fā)展，其外形和總體性能并未有根本性變化，真正能載客千人、可超音速飛行、能根據(jù)需要改變外形的飛機(jī)，可能還要20年才能投入使用。近期，真正的巨變將是借導(dǎo)航和通信的革命，而使飛機(jī)的運(yùn)行面目一新。

另外，從目前有洲際航程的大型飛機(jī)的研制成本來(lái)看，不管是軍用運(yùn)輸機(jī)還是民用運(yùn)輸機(jī)都大得驚人，不得不走聯(lián)合發(fā)展和一機(jī)多用道路。如性能極為優(yōu)秀的C－17軍用運(yùn)輸機(jī)，現(xiàn)在也在開(kāi)拓民用市場(chǎng)。要想取得民用市場(chǎng)的份額，其成本就必須降到民用經(jīng)營(yíng)者能接受的程度。美軍的C－5B和C－130即使還能服役20年，也都需要考慮改型或替代，而今后的研制生產(chǎn)費(fèi)用，已不可能完全由國(guó)防預(yù)算負(fù)擔(dān)，必將采取軍民雙方合作的方式發(fā)展。

近年來(lái)，經(jīng)常可聽(tīng)到人們?cè)谡務(wù)摮羲龠\(yùn)輸機(jī)（SST）和超大型飛機(jī)（VLA）的話(huà)題。在這方面不光停留在口頭上，而且有行動(dòng)，歐美兩大民機(jī)研制集團(tuán)都已提出了自己的設(shè)想和方案。在支線(xiàn)客機(jī)的研制上，已經(jīng)呈現(xiàn)出群雄爭(zhēng)霸的局面，合作研制、共同開(kāi)發(fā)已成為一種趨勢(shì)。但是，從總體上來(lái)看，民用運(yùn)輸機(jī)的發(fā)展仍將是漸進(jìn)式的。

亞音速運(yùn)輸機(jī)將有重大突破

其實(shí)，現(xiàn)有亞音速運(yùn)輸機(jī)技術(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到盡善盡美。波音和空客兩大民機(jī)研制生產(chǎn)集團(tuán)都很清楚，只有增加研究發(fā)展投資，促進(jìn)航空科研的突破，才能降低飛機(jī)采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)成本，贏得21世紀(jì)的民用航空市場(chǎng)。

在美國(guó)，這一高風(fēng)險(xiǎn)的研究領(lǐng)域主要依靠NASA和蘭利等專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)。NASA多年來(lái)在超臨界翼型、翼梢小翼和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)等方面的研究成果，為改善民機(jī)性能，提高空運(yùn)安全性、可靠性、效率和速度發(fā)揮了巨大作用。從1994年開(kāi)始，蘭利研究中心啟動(dòng)了“先進(jìn)亞音速技術(shù)”（AST）項(xiàng)目，原定于1999年結(jié)束。其目的是將促使這一領(lǐng)域在下個(gè)20年出現(xiàn)重大突破，從而使民用運(yùn)輸機(jī)的制造和效率發(fā)生革命性的變化。更重要的是，它將促使當(dāng)前民用和軍用航空工業(yè)拋開(kāi)常規(guī)思維，向飛機(jī)設(shè)計(jì)制造完全一體化的方式轉(zhuǎn)變。

按照他們的預(yù)計(jì)，今后20年，在民機(jī)研制生產(chǎn)上的技術(shù)進(jìn)步，主要將集中表現(xiàn)在下面兩個(gè)領(lǐng)域：

制造成本最低化

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑首先是復(fù)合材料。全復(fù)合材料機(jī)翼是一個(gè)潛在的技術(shù)突破重點(diǎn)，對(duì)減小機(jī)體重量和復(fù)雜性有重大意義。NASA和波音公司正合作研究一種采用縫合/注入技術(shù)，用碳纖維復(fù)合材料制成的基本機(jī)翼結(jié)構(gòu)。這種縫合/注入技術(shù)用自動(dòng)裝置分配的合成線(xiàn)，將先鋪設(shè)好的預(yù)浸漬碳纖維縫合起來(lái)，再注入樹(shù)脂。目前波音公司已試制了一個(gè)12米的半翼展翼段結(jié)構(gòu)，正在蘭利研究中心進(jìn)行一系列結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)（見(jiàn)下圖）。

由于擺脫了鉚接金屬構(gòu)件的舊方法，完全實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程自動(dòng)化。預(yù)計(jì)此方法將使制造成本比鋁制全金屬機(jī)翼降低20％，機(jī)翼重量也比金屬組裝機(jī)翼減輕25％，部件數(shù)量大大減少，而且極其耐久、耐損和易修復(fù)。波音公司對(duì)其在未來(lái)運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用很感興趣。從目前進(jìn)展看，15年內(nèi)這種全復(fù)合材料機(jī)翼就可以應(yīng)用到飛機(jī)上。這種方法還可考慮用于制造艙門(mén)、副翼等大部件，甚至用于未來(lái)超大型飛機(jī)的制造上。

美國(guó)空軍正在研究的一種先進(jìn)固態(tài)碳泡沫（SCF）材料。這種新材料將在飛機(jī)的熱防護(hù)和結(jié)構(gòu)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。由于SCF材料的密度可變化，在各個(gè)方向都具有相同的特性，而不象許多常規(guī)復(fù)合材料一樣只在一個(gè)方向有相同特性，這樣就不需模具和壓力就能加工，從而大大降低制造成本。高密度狀態(tài)的SCF能用于機(jī)翼和機(jī)身等主要部件的結(jié)構(gòu)加固，其熱傳導(dǎo)性能可適應(yīng)大范圍的溫度，因而在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上可廣泛應(yīng)用。

另外，靈巧機(jī)翼結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)也大有用武之地，美國(guó)萊特－帕特森空軍基地/研究實(shí)驗(yàn)室正與國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）和諾思羅普－格魯曼公司合作研究，他們的研究目標(biāo)是通過(guò)在機(jī)翼上使用形狀記憶合金（SMA）來(lái)改善其氣動(dòng)效率。基于SMA的無(wú)鉸可扭曲性能，可利用其翼面進(jìn)行控制。經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)表明，這種無(wú)鉸翼面具有一系列氣動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，如滾轉(zhuǎn)力矩提高10％至15％，機(jī)翼扭曲4度就可產(chǎn)生10％的升力增益等。盡管采用這種技術(shù)會(huì)增加重量和復(fù)雜性，但研究人員對(duì)其前景仍很樂(lè)觀，估計(jì)20年后就能用于運(yùn)輸機(jī)。

在計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方面，除降低風(fēng)洞試驗(yàn)成本外，波音公司還試圖通過(guò)在虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境中引入CFD模型，把機(jī)體設(shè)計(jì)周期從數(shù)年降到數(shù)月，但目前要精確預(yù)測(cè)高升力系統(tǒng)和機(jī)翼上復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，還需要作大量工作。如果實(shí)現(xiàn)，就能設(shè)計(jì)出更小、更輕、更高效、噪聲更低的高升力系統(tǒng)。

通過(guò)減少?gòu)U氣和降低噪聲，進(jìn)一步改善民機(jī)的環(huán)保性能

在發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲控制上，下一代運(yùn)輸機(jī)必須在降噪上取得突破，才能滿(mǎn)足未來(lái)機(jī)場(chǎng)的要求。NASA的目標(biāo)是5年內(nèi)將民機(jī)的越頂噪聲降低10分貝，但重大突破可能將出現(xiàn)在下一代而不是現(xiàn)有飛機(jī)上。

關(guān)于控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的研究，關(guān)鍵是低壓風(fēng)扇葉片與壓縮機(jī)定子的合理設(shè)計(jì)，以及如何降低噴管分離流的噪聲。這些方面如能得到改善，就可使飛機(jī)在起飛和爬升時(shí)的風(fēng)扇噪聲降低3分貝。NASA還在加強(qiáng)對(duì)作為主要噪聲源的副翼、起落架和起落架艙門(mén)等產(chǎn)生的渦進(jìn)行研究。

在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放方面，目標(biāo)是在10年內(nèi)使廢氣排放量減少3倍，25年內(nèi)減少5倍。NASA的研究重點(diǎn)在改進(jìn)噴嘴和燃燒室的設(shè)計(jì)上。劉易斯研究中心對(duì)這些設(shè)計(jì)的綜合測(cè)試可望不久結(jié)束，并可能出現(xiàn)突破性進(jìn)展。對(duì)于離心式噴嘴的高壓燃燒技術(shù)的試驗(yàn)是很成功的，但這種技術(shù)要達(dá)到應(yīng)用的程度，可能還要15～20年。該中心還打算開(kāi)展一項(xiàng)高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃，可望能在二氧化碳、煙霧和未燃盡碳?xì)浠衔锏扰欧盼锊辉黾拥那闆r下，氮化合物減少50％?！?/p>