BOB半岛:不断突破传统构型国产商用客机正谋划未来之路

　　此前系列文章中我们提到，我国商用客机产业链已经初步成型，并正对标世界先进的商用飞机研发水平不断追赶。同时，我们也正眺望未来，并且在塑造未来客机的路径上勇攀高峰。

　　C919与C929依然采用了传统的构型布局设计。这种设计路线的历史非常悠久，可以追溯到喷气式发动机最初被投入民航市场的年代。

　　1949年，英国设计制造的世界上第一架喷气式客机：德·哈维兰公司的“彗星”飞机首飞成功。出于减小飞行阻力等目的，“彗星”客机选择了在翼根部位内埋4台发动机的设计。1950年，波音公司代表团在参观“彗星”客机后认为，采用发动机吊舱化设计的客机能获得更大的总体优势，由此，波音367-80项目诞生。之后，该项目先后衍生出了著名的KC-135加油机和波音-707客机。

　　由于发动机吊舱设计对发动机的检修、更换、型号更换和升级（通常会导致尺寸明显增大）等工作来说非常方便，而且能显著降低客舱内的噪声和振动，这种布局在推出之后就因其经济性、舒适性方面的优势和较高的日利用率，成为了喷气式客机最受欢迎的总体布局形式。

　　现在，全球的主要客机型号中，这种被戏称“两桶一棍”的设计布局依然占据着垄断性地位。C919也并不例外。但70多年来在全球航空科技工作者们不遗余力的优化之下，在现有的能源布局和科技手段下，“两桶一棍”布局的性能潜力已经不复当年，围绕该布局进行的优化工作，边际效应递减非常严重。打个比喻，在该布局投入应用的早期，要实现一分性能提升，只需要花“一分力气”；但现在，虽然技术更先进了，但要取得一分性能提升，起码需要花“十分的力气”。而且这种趋势还在加强中，未来要在这一传统布局上实现性能的提升，工作将越来越难，成本将越来越高。

　　因此，现在全球航空制造业都在寻求“转换赛道”，以突破传统构型的局限，希望通过开发新的总体构型，来大幅度提升未来客机的总体性能。而同时，“转换赛道”也意味着未来民航领域的适航要求和标准将大幅变化。目前，这样的趋势已经体现在了很多西方国家对未来民航业的标准制定中。如欧盟“欧洲航空2020远景”“2050年航空发展展望”“洁净天空”“下一代航空运输系统”等计划或者项目。这些规划对于未来客机的油耗、氮氧化物、噪声等指标提出了苛刻的要求，客观来说，在现有传统客机的构型路线下，这样的指标目标是不可能完成的。

　　这意味着，未来的民航客机必须在气动布局构型和动力系统上都实现巨大的突破和进步，才有建构新的体系、达成这些新目标的可能性。

　　针对C929之后的国产商用客机远期发展，我国多个单位已经在着手进行探索和研究论证工作，并提出拥有充分技术可行性的中、远期路线年，中国商飞公司设计研发中心“追风”工作室连续放飞三型构型与众不同的客机验证机。2018年8月10日，第一代大尺寸桁架支撑翼布局验证机“乘风”V1plus在上海金山首飞成功。

　　这些成果意味着我国航空科技工作者正在尝试突破传统构型，塑造新的未来客机图景。那么，在以上诸多的新构型中，哪种更可能在短期的未来付诸实践？哪种可能在更远期的未来获得实践的客机构型？

　　客机传统构型之所以已经进入“边际效应递减”阶段，一个重要原因是下单翼设计所采用的悬臂结构，已经做到了当前材料和结构设计的工程能力极限，无法在控制机翼重量的前提下进一步加大机翼的翼展和展弦比——通俗来说，机翼已经不能做得更纤长、更大了。

　　如果能进一步大幅度加大翼展和展弦比，让飞机能从更广阔的气流区域内榨取出更多的升力，即使是保留传统的筒状机身，以获得对现有体系的最佳继承和兼容，飞机依然还有很大的气动性能提升余地。

　　而桁架式的机翼结构正是突破这一工程困境的方法之一：通过添加支撑结构，使机翼的内段形成封闭的大型承力框架——这是远比悬臂结构强壮的形状，进而能用纤细得多的机翼，实现远超传统构型的翼展和展弦比，从而极大提升飞机的整体气动性能，尤其是巡航效率。

　　根据目前的研究和试验结果，采用桁架式布局的客机可以在机身相同的前提下，实现翼展加大接近60%、展弦比加大104%的突破。在设计合理、优化到位的前提下，桁架式布局的潜力极限，理论上可以支持到这样的水平：相较于现有主流客机，噪声降低71分贝、起降阶段氮氧化物排放减少80%、油耗降低60%、起降距离缩短50%以上。

　　同时由于桁架式布局客机保留了传统的圆筒状机身和起落架布局，它可以非常优异地兼容各种现有的机场设施，实现近乎无缝式的客机型号升级替换。因此，在向远期未来客机时代迈进的过程中，桁架式布局客机是最佳的过渡选择。

　　传统客机构型中，圆筒状的机身几乎不贡献升力，是整个飞机最大的阻力来源。但在翼身融合方案中，机身也会不同程度地变成机翼的一部分，贡献相当一部分升力性能。

　　翼身融合客机能提供比桁架式布局客机更为优越的飞行性能，但它也面临着很多额外的推广阻碍。比如现阶段所有能支撑中大型客机运营的机场，从廊桥等基础设施到各种保障车辆，都是针对圆筒状机身结构设计的；翼身融合布局这样具备颠覆性外形特征的客机，一旦不能与现有机场设施良好的兼容，就无法避免面临运营效率和乘客满意度的下降。

　　这样的既有产业结构，不是单独一家飞机制造商或者航司就能在短时间内轻易改变的。因此翼身融合布局飞机的推广和应用必须历经较长的时间。

　　然而，作为商用客机市场上的后发国家，我国在C919刚刚投入运营、C929尚在研发的现在，便已经启动了对未来新型客机的深入探索，这体现了我国对于航空事业未来发展的严肃态度和长远规划。可以期待，未来我国航空科技产业将成为造福国计民生、容纳高层次人才就业、连接全球市场、牵引中国制造进入全球领先水平的高科技关键行业。

　　《航空发动机钛合金叶片制造技术及失效分析 [刘庆瑔编著][航空工业出版社][2018.09][1098页][14546175]》

　　《大飞机出版工程——ARJ21新支线飞机技术系列——ARJ21-700新支线飞机项目发展历程探索与创新》