主题：【原创】未来的民航客机 -- 晨枫

从20年代的德国容克和美国福特三发客机到现在，客机的基本结构一直是圆筒形机体加机翼的常规布局，机翼用于产生升力，机体用于承载旅客和货物。空客最新的A380在尺寸上极大地放大了，波音最新的787采用了很多前卫的技术，但这个基本的常规布局依然没有改变。中国正在研制的C919也是这个常规布局。然而，作为航空科研的前沿阵地，美国NASA已经开始研究未来客机的问题。未来客机的研究分三阶段，其中以2025年开始使用的第二阶段最引人注目：在技术上足够前卫，但又不太过科幻。波音、诺斯罗普和洛克希德的三个方案都和人们耳熟能详的常规布局有很大的不同。当然，2025年只是设想而已，远非铁定的商业现实。不过这些先进构想的启示意义不可低估。

从福特三发到波音727，民航客机的基本格局一直是筒形机身加机翼，最新的波音787和空客A380也是这个基本格局。近百年来，这个布局的潜力已经被挖得差不多了

NASA的要求很简单：降噪、减排、节油。根据NASA的数字，2008年，美国主要航空公司使用了约6100万吨航空燃油，美国军方则使用了约1420万吨航空燃油，总值约726亿美元。节油不仅直接影响航空公司的盈利，也对国防开支紧缩的美国军方有很大的诱惑。减排也是非常重要的事情，和汽车、工业相比，飞机的碳排不是最严重的，但飞机的碳排直接进入大气高层，难以通过绿化地球加以吸收，危害很大。另外，机场周边飞机频繁起降，排污集中，影响更大。更难弄的是NOx。节油通常采用富氧燃烧，导致NOx排放增高。美国前50个最大的民航机场中有40个不符合美国环保局关于大气尘粒和臭氧的标准。另一方面，飞机噪音早已成为公害，世界各地机场扩建阻力重重，大多来源于周边人们对噪音的不满。FAA几次想重新划分纽约地区的空域和空中通道，结果招来14起诉讼案，都是和噪声有关。自从1980年以来，FAA已经投资至少50亿美元，用于机场减噪有关的研究。多少年来，降噪、减排、节油也是民航客机研发的基本要求。在喷气客机出现几十年来，世界各国不断潜心优化，对传统的常规布局的潜力已经挖得很深，要在降噪、减排、省油上大幅度提高很不容易。

NASA未来民航科研的三个阶段是这样划分的：N+1为近期，目标为2015年， N则为Now的意思；N+2为中期，目标为2020年；N+3为远期，目标为2025年。计划结束时，要求达到技术成熟程度4-6。这是美国政府和国家科研管理中对技术成熟程度的等级评定，1-2为基础理论阶段，4-6为达到实验室规模到技术演示的阶段，8-9则为实用阶段。从4-6级技术成熟水平到投入使用还需要5年以上，所以N+2的实用化目标是2025年。NASA的N+2要求比现在的最严格的第四级标准减噪42分贝，起飞着陆阶段NOx减排75%，巡航阶段NOx减排70%，节油比1998年技术基线（相当于波音777）50%。其中减噪要求尤其令人印象深刻。现在的机场周边飞机噪音标准通常要求不超过70-75分贝，减噪42分贝的话，这使得机场周边噪音降低到相当于安静房间的水平，甚至低于室内强制循环冷暖风的噪声。即使站在地面以最大推力起飞的飞机旁边，噪声也降低到相当于电锯的水平。这是很高的要求。

NASA正在推动“环保飞机计划”（Environmentally Responsible Aviation，简称ERA），这是N+2阶段，客机的设计基点为224座，22.5吨载重，14800公里航程，M0.85巡航速度；货机则为45吨载重，航程12000公里。在1月9-12日美国航空航天协会（简称AIAA）在田纳西州纳什维尔举办的航空科学大会上，波音、洛克希德和诺斯罗普揭示了各自的ERA方案，都达到或者接近达到了这些十分苛刻的要求。每一个团队都获得很高的评价，而各自的技术路线又十分不同，预示着民航技术即将到来的百花齐放时代。

NASA计划研制一架缩比的研究机（简称STV）。这应该是比真实飞机缩小约一半的有人驾驶研究机，原计划2018年首飞，在2019-20年使技术达到实用程度，在2025年左右按照新技术设计的新一代民航客机可以投入商业运行。STV的大小相当于波音737，要求可用20年、1万小时，但第一步计划是在2020年提供N+2研究数据，然后将在2020-25年用于测试无人商用航空，为未来在整个空域和有人飞机混合飞行做好技术铺垫。2025-30年则用于NASA的另一个研究项目“亚音速固定翼”计划，在基础理论层面上进一步推动航空科技。不过在可预见的未来，美国政府开支的紧缩可能迫使ERA计划放慢。除了寻求工业界的投资，NASA也在邀请美国空军加入，联合研制STV。不过这样STV就要从单纯的民航技术验证机变成具有军用潜力的多用途运输机技术验证机了。波音、洛克希德和诺斯罗普还需要提供未来15年里把相关技术成熟化的技术研发路线图和时间表。

波音X48是波音的未来民航技术验证机

波音N+2方案就是基于X48，注意有双发喷气和三发开放转子方案

这是双发喷气的修改方案，注意翼尖的后掠小翼

这是一个艺术家的想象，还是未来的现实？

波音方案是NASA的X-48研究机的自然延续。这是翼身高度融合的新颖飞机，介于飞翼和无尾三角翼之间。无尾三角翼飞机也是常规的机体-机翼布局，只是省却了常见的水平尾翼。机体-机翼布局在设计和制造上已经很成熟，但机体不产生或者只产生很少升力，机翼和机体的结合部承受的应力很大，需要高度加强，导致重量增加，结构效率较低。理想飞翼直接在肥厚的机翼内装载旅客或货物，整个飞机没有不产生升力的部分，重量也均匀地分布在所有产生升力的结构上。从理论上讲，要是在机翼上每一点升力和重力都正好抵消，用纸做飞机都可以，最大限度地降低结构重量。当然这在实际上不可能，还没有上天，重量已经把纸蒙皮压穿了。不过这说明了没有机体、只有机翼的飞翼的本质优越性。从40年代飞翼概念提出后，就有很多人把飞翼作为未来客机的理想气动布局，但飞翼固有的缺陷使这一梦想始终没有实现。

飞翼的纵长相对较短，俯仰控制力矩随之较短，大大增加稳定的俯仰飞控的难度。除了德国霍顿兄弟的开创性工作外，诺岁罗普是飞翼的先驱了，还在40年代试飞过飞翼，但一直到数字电传飞控的出现，实用的飞翼才成为现实，这就是B-2。不过民航客机的安全要求很高，本质上不容易做到自然稳定的飞翼要通过民航客机所需的严格安全认证，还有不少关口要过。

飞翼的另一个难题是旅客上下飞机和紧急疏散的问题。圆筒形的机体或许结构效率不高，但旅客上下飞机很方便，世界各地机场也有一整套现成的登机设备。但飞翼没有明显的适合设置登机门的位置，即使在肥厚的前缘选定一个位置开登机门，机内相当于一个大厅，而不是圆筒形机体的走长廊，旅客进出的人流路线容易混乱。这还不是最大的问题，紧急疏散时，飞翼内的人流组织远比圆筒形机体要复杂。现有研究都表明，一旦发生紧急情况，飞翼客机很难在FAA规定的疏散时间内保证所有旅客安全逃生。不算这些问题的话，还有旅客的舒适问题。飞翼内部或许空间宽大，但只有飞翼前缘的旅客有机窗，大部分旅客将远离机窗。看电视、打游戏能解决一些问题，但幽闭的感觉没法根本解决，长途飞行的问题更大。当然，这些问题对货运飞机来说无关紧要。

齿轮传动涡扇示意图，“2”为行星齿轮减速装置

由于这些问题，波音的翼身融合体方案（简称BWB）试图结合飞翼和常规机体-机翼的优点，用近似飞翼的气动外形保持飞翼的优点，但机舱是极大加宽的肥厚扁圆，而不是像理想飞翼一样差不多延伸到整个翼展，机翼也没有飞翼那么肥厚。扁平宽大的尾部上方有一对外倾的双垂尾，双垂尾之间是两台普拉特惠特尼和罗尔斯罗伊斯合作的齿轮传动涡扇（简称GTF）发动机。喷气发动机的推力来自于喷气的质量流量，而不是喷气的速度或者温度。涡扇发动机的涵道比（风扇的外涵道和核心发动机的内涵道的流量之比，也称流量比或旁通比）基本上等同于外涵道和内涵道产生的推力之比。显然，用转速较低的风扇产生更大的升力有利于降噪、节油。但常规的双转子涡扇的低压涡轮同时驱动低压压气机和风扇，不可避免地要在两者的工作要求之间折衷，而不能使两者都达到最优。罗尔斯罗伊斯的拿手好戏是三转子，低压压气机和风扇不再共用低压涡轮，提高了发动机的热效率，但机械结构因此大大复杂，在重量和可靠性上都要付出代价。普拉特惠特尼采用齿轮减速，使双转子涡扇达到三转子的效果，但在机械结构上相对简洁、干净。现在罗尔斯罗伊斯和普拉特惠特尼合作，进一步增加了GTF的吸引力。

罗尔斯·罗伊斯“开放转子”是另一个有望大幅度降低油耗的新型涡扇

GTF可以达到节油52%的效果，十分可观。但另一个发动机技术可以达到更高的节油效果，这就是浆扇发动机，也称开放转子发动机。既然提高涵道比可以节油，使涵道比达到无穷大岂不可以达到最低油耗？这就是涡浆发动机，螺旋桨相当于没有围箍的风扇，在支线客机和轻型飞机上得到广泛应用。不过涡浆的问题有两个：1、速度无法提高；2、噪声很大。螺旋桨的叶尖速度不能超过音速，迎风面积也限制了飞行速度，所以不适合高亚音速巡航的远程客机。没有屏蔽的叶尖产生的噪声强大到可以造成机体结构疲劳，所以大功率的涡浆客机很难不扰民。浆扇降低螺旋桨的出力，部分推力回到由核心发动机产生，螺旋桨桨叶采用后掠的弯刀形，推迟激波的产生，前后不同桨叶数的反转螺旋桨改变噪声特征，降低感受到的主观噪声水平。但浆扇的噪声依然很高。波音BWB用三台浆扇取代两台GTF的话，油耗还可以进一步降低，但噪声要高8分贝，方案被放弃了。GTF方案也没有达标，只达到降噪34分贝。波音BWB的发动机下方有扁平宽大的后机身屏蔽，两侧有双垂尾屏蔽，加上采用低噪音的GTF，依然没有达到NASA的N+2降噪标准，可见降噪之难。

波音声称可以通过进一步优化，最终达到42分贝的降噪要求。发动机和气动布局上的文章做完了，接下来只有从细节入手，其中最主要的是起落架和襟翼。传统上，起落架的设计要求只有轻巧、坚固、可靠，但基本上没有什么气动上的考虑。在下滑过程中打开的起落架引起很大阻力和噪声，需要采用整流罩降低风阻，才能降低噪声。另一个噪声来源是襟翼。襟翼是常见的增升装置，但打开的襟翼极大地改变了气流的流动，开缝襟翼的噪声尤其严重，这是另一个降噪的着力点。

波音和NASA合作研制X-48在2007年7月20日首飞，已经积累了相当的数据，波音也因此在竞赛中领先一步。波音的ERA技术验证机原计划2017年总装，这是一架65%尺寸的研究机，翼展45.4米，机长25.3米，机高6.4米，采用两台推力为106.8千牛的普拉特惠特尼PW1000G齿轮传动涡扇发动机、现有飞机上的起落架和公务飞机的座舱系统。最初机翼不采用层流技术，但技术上留有余地，方便以后改装。

波音团队包括普拉特惠特尼、罗尔斯罗伊斯、麻省理工学院、克兰菲尔德大学，诺斯罗普团队则包括罗尔斯罗伊斯、韦尔实验室和依阿华大学。诺斯罗普似乎不怕忌讳，对飞翼用于民航客机充满信心。诺斯罗普的ERA方案几乎是B-2轰炸机放大的民航客机版。和波音ERA相比，诺斯罗普ERA的中央部分同样明显肥厚，但机翼机体浑然一体，没有明显的机舱和向前探出的机头和驾驶舱，更接近理想飞翼。由于发动机深埋在飞翼之内，从记忆前后缘退后的进气口和喷口有效地用机体屏蔽了噪声，喷气从扁平的喷口通过宽而浅的“壕沟”喷入空中，强化和环境空气的混合，有利于进一步降噪。降噪成为诺斯罗普ERA最显著的优点，达到74.7分贝。这应该不奇怪，B-2就是以安静著称的。诺斯罗普ERA方案采用无垂尾设计，降低阻力。由于飞翼尺寸紧凑，没有机体则避免了机体-机翼的不利气动交互作用，使飞翼更加接近理想机翼，升阻比有所改善，发动机推力要求相应降低，减排达到88%。节油成果更是令人刮目相看，比1998年基准技术水平低41.5%，没有达到N+2要求的50%。诺斯罗普声称，20%的节油来自于发动机，后掠的层流飞翼提供了另外8.3%。

诺斯罗普从来没有制造过民航客机，大概不怕邪，用B-2飞翼的基础设计了自己的ERA

如果诺斯罗普同时推出货机型，会有国家情不自禁地把它改作轰炸机吗？

登机将从机尾进行

诺斯罗普ERA由于采用不同寻常的飞翼设计，旅客上下飞机也采用不同寻常的方式。不从两侧登机，而是从机尾放下的斜板登机，像军用运输机一样。头等舱总是在离登机门最近的地方，便于迅捷上下飞机，所以诺斯罗普ERA的头等舱一反常规，在商务舱和经济舱之后。由于机体特别宽，登机斜板也特别宽，便于多路人流迅速登机。不过无垂尾设计的安全认证和深埋机背的发动机维修会是很大的挑战，特别宽大的可放下的登机斜板的重量也不可低估，飞行员的位置相对常规的驾驶舱来说比较靠后，不利于地面滑行时观察周边情况，加上飞翼紧急疏散旅客的问题，诺斯罗普ERA离实用化可能是距离最远的。不过用作军用运输机的话，诺斯罗普飞翼具有天然的隐身特性，这倒是一个很有吸引力的优点。运输机型诺斯罗普飞翼可以装载45吨货物，或者12个全尺寸集装箱加上2个半尺寸集装箱。诺斯罗普ERA的客机设计翼展为70.1米，中央机舱（包括两侧的发动机）宽度24米，货机翼展79.2米，中央机舱宽度18.3米，机长都是36.3米，货机翼展70.1米。55%比例的STV研究机翼展43.6米，长度19.9米，起飞重量50.9吨，采用4台用于支线飞机的通用电气小涡扇发动机推动。

洛克希德没有走那么远，但也采用了菱形搭接翼的新颖格局

在外观和机场设施对接方面，这是最接近常规筒-翼布局客机的

搭接翼的优点是可以推广到未来超音速客机上，当然这是N+3以后的事情了

洛克希德团队包括罗尔斯罗伊斯和乔治亚理工学院。洛克希德的方案在某种意义上是先进和传统的独特组合。一方面，这是三个方案中唯一保留传统的圆筒形机体的方案。圆筒形机体不仅容易设计、制造，也是最适合用于压力容器的外形。在空气稀薄的高空，舱内加压的机体是一个压力容器，最小的壁面积意味着最轻的重量，这是不容轻视的问题。另一方面，这采用了独特的搭接翼，也就是后掠的下单翼和前掠的上单翼在翼尖搭接，俯视看起来好像一个菱形，所以也称菱形翼；正视则看起来像一个矩形的空心盒子，所以也称盒式翼。

后掠翼可以推迟激波的产生，有利于增速减阻，前略翼也能达到同样的目的，还有一些额外的好处。后掠翼的失速首先在翼尖发生，引起升力中心前移和机头上扬，进一步加深失速；前掠翼反过来，具有天然的抵制失速的性质。另外，后掠翼容易形成强有力的翼尖涡流，造成涡流阻力。前掠翼的翼尖涡流要弱得多，而展向气流流向机体，机体好比天然的翼尖小翼，减阻增升。但前掠翼具有气动弹性发散的问题，翼尖局部迎角增加会导致局部升力增加，进一步加大局部迎角，直至扭曲导致结构损坏。搭接翼在翼尖把后掠翼和前掠翼搭接起来，后掠翼和前掠翼的受力互相补偿，鱼与熊掌兼得，不仅简化设计和制造，还大大改善面积律分布，降低跨音速阻力。

搭接翼不仅在相同翼展情况下翼面积加倍，还因为后掠翼和前掠翼互相卸载，降低了翼根的应力，减轻了结构强度要求，降低了结构重量。搭接翼比同样翼面积的普通上单翼或者下单翼减重可达30%。整机重量因此大大降低，用1998年基准技术设计需要249.6吨的起飞重量用166吨就实现了，减重幅度高达33.5%，造价也相应降低，需要的载油量则下降超过一半。

由于后掠翼和前掠翼分别有相对肥厚的翼根，翼内容量较大，便于多装燃油，或者在用作预警机时，在翼内安装共形雷达。传统的双翼机尽管翼面积加倍，但由于上下机翼之间的不利气动交互作用，升力并不加倍。搭接翼不仅上下错开，还前后错开，不利气动交互作用大大减小。由于下洗气流向下的方向，前置后掠的下单翼和后置前掠的上单翼之间的不利交互作用进一步减小。上下错开的搭接翼还为发动机的安装位置提供了意外的便利。发动机后置有利于重心后移，降低配平阻力，所以60年代曾流行喷气发动机在机尾两侧的布局，至今公务飞机和支线客机依然流行这一布局。但机尾两侧的发动机紧贴机舱，噪声较大，位置也较高，维修不便。飞机越大，发动机推力越大，这些问题越明显。但搭接翼的后置前掠的上单翼解决了这个问题，翼下吊挂的发动机兼具传统的翼下吊挂和机尾吊挂的优点，而且上单翼具有足够的翼下净空，容易吊挂超大直径的先进低油耗发动机。事实上，洛克希德ERA正是使用两台罗尔斯罗伊斯“超级风扇”发动机，单台推力282.9千牛。

洛克希德ERA的设计翼展为52米，机长为55.2米，具有容易放大、缩小和便于改作军用运输机的特点。洛克希德计划验证大角度、高下沉率着陆概念，减小对机场周边的打扰，达到降噪。不过洛克希德ERA的降噪幅度是三个方案中较小的，只有35分贝，很大原因是发动机下方没有任何屏蔽。发动机的污染减排达到89%，这在很大程度上是罗尔斯罗伊斯“超级风扇”发动机的功劳。这可以看作是桨叶带围箍的桨扇发动机，既保留桨扇发动机的节油特点，又对开放桨叶的噪声有所屏蔽，直径高达3.5-3.66米。风扇将采用齿轮减速，甚至可能和三转子结合使用。罗尔斯罗伊斯没有具体说明三转子和齿轮减速如何结合使用，但“超级风扇”没有反推力装置，或许齿轮是用于推力反向的，也可能两级反转的桨扇采用不同转速，改善噪声特征。

洛克希德ERA的大展弦比搭接翼的实现有赖于先进复合材料技术，进一步降噪需要采用起落架整流罩、开缝襟翼的隔音、发动机外涵的记忆合金锯齿形喷口等降噪措施。波音BWB已经在通过X-48验证基本的气动概念，诺斯罗普的飞翼是B-2的延续，也没有悬念，反倒是洛克希德的搭接翼在气动上最有待检验。洛克希德ERA技术验证机是50%的缩比飞机，翼展30.2米，机长38.1米，最大起飞重量73.7吨，发动机为两台尚未确定具体型号的200千牛级涡扇。座舱采用C-130J运输机的现成设计，采用开放结构，以支持航电和无人机化设计。

波音的BWB和诺斯罗普的飞翼对起落架布置很有利，特别宽大的机身可以使主起落架具有很大的间距，有利于起飞、着陆时的横向稳定性。但搭接翼的起落架布置会很有挑战。前置的下单翼使得前三点起落架太靠前，后三点起落架倒是很容易布置，但在前三点起落架已经成为现代民航客机的常规的今天，这可能会有问题。还有一个办法是采用军用运输机那样的多轮小车式起落架，这依然算前三点，但主起落架布置在机腹两侧的巨大鼓包里，破坏气动外形，而且重量较大。军用运输机需要多轮起落架以降低对野战跑道的冲击力，这样的代价是合理的，对民航客机就未必合适了。最后一个办法是自行车式起落架，主起落架在机身下前后布置，但在两侧机翼下另有一对小型的可收放辅助起落架，不承受起飞、着陆时的冲击和机身重量，只是防止横倾时机翼触地。但这种起落架的应用很少，在民航客机上似乎没有先例。后三点和自行车式起落架的问题是不符合大多数民航飞行员的操作习惯，需要大量的重新训练，否则要造成着陆安全问题。

除了波音、诺斯罗普、洛克希德、罗尔斯罗伊斯和普拉特惠特尼的新颖设计，NASA还要求ERA与FAA正在推动的下一代空管系统结合。FAA下一代空管系统一改地面雷达为主的空管体制，采用GPS为基础的新体制，飞机上的GPS提供更精确的实时三维坐标和速度、航向、爬升、下沉速率，确保更可靠的间距和高度控制，可以更有效地利用空域和跑道。最重要的是，飞行员和空管看到的是同样的数据，避免了任何数据不一致造成的混乱。另外，下一代空管将从传统的语音通讯指挥改为数据通讯指挥，极大地提高了指挥效率，减少语言问题或者由于紧张而口齿不清带来的通讯障碍。军事指挥从语音通讯改为数据通讯已经显示了巨大的优越性。波音的研究表明，下一代空管有助于飞机采用最优航线，减少在地面和空中的等待，可以节油14%。

NASA还在研究更深层的基础技术，其中比较引人注目的有层流翼。层流翼维持机翼上下气流的层流状态，避免湍流带来的阻力和升力损失。二战时代的P-51“野马”战斗机采用层流翼设计，但二战时代的工艺无法保证机翼表面足够平顺，无法达到真正的层流翼。现在工艺可以做到机翼表面足够平顺，使层流翼的概念重获新生。但NASA的研究更进一步，研究采用主动吸气控制，控制局部的气流走向，保持气流贴附于机翼表面，避免气流分离导致湍流和阻力。另一个概念是受控凹凸。按照常理，表面的凹凸不平是破坏层流条件的重要原因，但如果凹凸的尺度足够小，不足以引起湍流，但气流只接触到的凸起的微小鼓包，产生摩擦阻力的接触表面积实际上变小了。布满茸毛的荷花叶子上水珠滚落得更快，就是一个例子。这些概念在原理上并不难，但工艺制造是一个问题，实用中如何保持不受污物堵塞而失效是另一个问题。NASA的研究就是要把这些技术实用化。

进入21世纪，地球村继续变小，人们的出行随着生活水平的提高而不断增加，民航继续成为远程出行最重要的手段。民航技术的制高点是美国工业技术保持领先的重要部分，NASA的N+2（也就是ERA）正在成型，N+3计划进军超音速民航，这是另一片全新的天地。民航技术是中国需要着力赶超的目标，NASA的这些努力值得关注。