客机的速度与大小之争

1947年，人类第一次突破音障，飞行速度达到M1.0。在那之前，人们把飞得和声音传播速度一样快视为不可能，因为一接近音速，飞机就急剧抖动，以致在空中解体，音速成为一道不可逾越的“障碍”，专业上称之为音障。

自从莱特兄弟第一次飞行以来，人们用了44年达到了M1.0，又用了6年时间将速度提高到M2.0以上，再用14年时间，X-15研究机达到了M6.7的速度记录。迄今，又过去了36年，飞机速度一直停滞不前。至今，民航飞机的飞行速度，超过音速的只有“协和”和图-144两种，高于MO.9的也只有几种飞机。那么，民航飞机是否遭遇速度障碍了，下一代客机将会是什么样子?从它的速度、结构外形到气流控制都是当今人们十分关注的。

速度与大小之争由来已久

在飞机发展史上，速度和大小之争非自今日始，至今仍在继续。空客公司2000年推出A380大型航线飞机之后，波音公司取消了与之竞争的747-X，并设法让航空公司对尺寸较小，但速度更快的“音速巡航者”产生兴趣。波音公司认为，在未来，点对点航班将会时兴，因而飞机的速度将更具有吸引力，而不是大小。

2002年晚些时候，波音公司屈服于市场的选择(实际上航空公司对接近音速的飞机不感兴趣)，于是将MO.98的“音速巡航者”束之高阁，挂了起来，而选择了7E7“超效飞机”。该型飞机是自2001年“音速巡航者”公开以来，一直偷偷设计的一匹“黑马”。虽然波音公司坚信“音速巡航者”的使用成本可与波音767飞机相当，但它还是把该机的技术用在了速度较慢的7E7“超效飞机”上，使其成本较波音767下降15％至20％。在目前的市场环境下，对于飞行使用成本特别感兴趣的航空公司来说，波音公司的这种选择，显然是有他们的想法的。

降低成本胜过提高速度，这已经不是第一次了，可能也不是最后一次。即使在美国发生9.11恐怖事件之前，航空运输业的发展方向也是在设法降低生产和使用成本，降低噪声和排放量。速度在可预见的未来，还难以成为空运企业所追逐的重点。

早在第一代喷气式航线飞机出现时，就有人十分注重飞机的速度性能。当时，康维尔880／990的飞行速度就达到MO.87，但它的销售业绩卖不过速度较慢的波音707和DC-8。法国宇航和英国BAC公司的“协和”和波音747是同年首飞的，但航空公司选择了载人多的波音747，而不是精致的超音速客机。波音747至少把亚音速航线飞机的速度标准提高到了MO.85，现在依然是这样一个水平。

在研制第一代超音速客机的热潮中，美国人也曾试图拥有自己的产品，并提出过载客234人、飞行速度M2V7的波音2707计划，后于1971年也取消了，主要原因是因为环境问题美国政府撤资了。但超音速运输机的研究工作仍在继续，以美国国家航空航天局(NASA)为首，开始进行高速民用运输机(HSCT)的研究。那是一种309座、M2.4的超音速航线飞机，并希望达到一定的经济性，使超音速旅行进入寻常百姓的市场。

但波音公司在兼并麦道之后，美国只剩一家商用飞机制造商了。没有了竞争对手，波音对此也不再感兴趣了。于是，1999年NASA取消了HSCT研究计划。在技术层面上，即使是在经过了多年研究之后，超音速航线飞机的环境影响和经济性问题，仍然让人难以接受。目前，欧洲和美国仍在研究，但其达到的水平远不足以在近期使第二代超音速运输机成为现实。

这样，飞机大小和效率便赢得了最新一轮较量的上风。在550座的A380中，这两者的结合得到了体现。据空客公司计算，它的每座油耗将比波音747节省12％。这种节油效果大部分来自于最新一代的高涵道比涡扇发动机，还得益于电传飞行操纵系统和用复合材料制造主要构件。

A380是中央机翼翼盒采用碳纤维材料的第一种航线飞机，后密封隔框以及在它后面的一切也都是碳纤维的。玻璃纤维／铝层压材料用于上机身板，下机身板是激光束焊接的铝。据空客公司计算，与波音747相比，A380的材料和结构进步将减少重量达15吨，同时还增加了飞机耐用性，或者说是提高使用寿命。

波音7E7采用的新技术

波音公司尽管放弃了“音速巡航者”，却大大加快了7E7(破天荒地通过网上征名活动，于6月15日在巴黎航展上宣布将7E7定名为“波音7E7梦想飞机”)的研制。公司认为，波音对“音速巡航者”项目投入的人力、财力和精力都没有浪费，几乎都被转移到了7E7项目上。因为7E7与“音速巡航者”都是针对波音最看好的200至250座级的中型客机市场，所应用的技术也基本相同，只是7E7突出的是其高效率而非速度。这是波音公司继4年前放弃超音速客机计划之后，再一次放弃对速度的追求，而向飞机的效率“折腰”。

波音公司对7E7能在市场上站住脚充满信心。他们认为，这款飞机一方面能给波音737飞机用户提供更大的运力；另一方面也给波音777用户提供一种尺寸稍小，但航程相近的新飞机。波音公司对7E7的信心来源于该机将采用一系列新技术，如：

采用石墨和增强型环氧树脂复合材料作为7E7主体结构材料，机翼还将采用一种由钛和石墨构成的复合材料，称为TiGr。波音公司强调，随着人类飞行进入新的世纪，这一选择将使波音飞机在采用先进材料技术方面占据优势地位。

强调高效、环保性能。波音声称，7E7将是一种燃油效率最高的的宽体客机，在同级飞机中，起降噪声最低。由于采用先进的高效发动机和复合材料主结构，以及利用先进气动性能和系统的综合效果，使乘客的人均油耗比同级飞机节省20％。油耗降低的同时也就意味着污染物排放的减少，从而达到对机场周边环境影响更小，整体环保性能更佳的发展目标。

采用先进发动机。波音预计，7E7所采用的发动机技术比目前市场中型飞机所采用的技术至少超前两代。先进技术发动机中，“多电”是关键。与今天的发动机相比，它能够通过发动机带动的发电机为飞机的系统和辅助系统提供更多的电力。先进发动机的其他技术还包括：采用先进的涡轮热段材料、具有先进的冷却技术和低排放特点的燃烧室；采用新一代低速、高流量涡轮风扇设计；改进低压燃烧室的三维气动力设计；更快和更容易维修，如发动机零部件现场快速更换。波音希望，以此达到效率提高17％的目标。

考虑采用机载完好性监视系统，使飞机能够实现自我监控，并向地面计算机系统报告维修需求。利用开放式系统设计方法，系统在整个项目周期内更易于升级。而使用最优化系统设计方法，则能简化并提高系统功

能。

充分发挥数字技术的功能，能为乘客提供机上娱乐、互联网接入服务，具有实时飞机系统和结构完好性监视和与机组人员联络等功能。

航线飞机通常的生产和使用寿命为20至30年。这样，常规布局的A380和7E7将会使用很长时间。A380定于2006年投入航线使用，而7E7则在2008年。它们可以很好地服役到本世纪中叶。那些热衷于非常规布局者，诸如翼身融合体(BWB)，看来要等到下一代航线飞机了，或许会更长。因为在传统布局的航线飞机上还有许多改进的余地，效率还可以进一步提高。

BWB还在继续研究

BWB为翼身融合体的英文简称。波音虽然甩开了“音速巡航者”而钟情于超效率的7E7，但它长远的BWB研究仍在继续。翼身融合在气动力和结构方面有很大的好处。许多人都认为，对于符合环境保护要求的航线飞机来说，它是最有希望的新布局新外形，虽然人们也担心，现有机场是否能兼容，旅客是否会接受。

迄今为止，BWB的工作集中在高达1000座的超大型航线飞机上，但波音的“鬼怪工厂”(远景发展部门)设计出适合远程航线飞机使用的不同大小的模块，从200座到550座，不同大小的机型都有。

NASA研究表明，到2015年左右，BWB将比747的燃油效率提高2倍，其一氧化氮的排放仅为其10％。据波音计算，480座的BWB几乎可比A380轻20％，每座油耗降低30％。

波音最近的工作也在研究提高BWB的巡航速度，从原来考虑的MO.85提高到更高。经过计算流体动力学分析表明，MO.93的巡航速度是可行的。但就既提高速度又付出最小代价而言，也许MO.9的速度更适宜些。在许多鼓吹BWB的人的眼里，速度哪怕增加一点点也会进一步提高BWB设计的吸引力。

BWB较之常规设计而言，其优势在于这种布局作为翼展载荷承受体特别有效。但有气动和结构挑战需要克服，主要在气动弹性和飞行控制方面，但最大的障碍是市场需求。传统的布局还有提高效率的余地，因此采用非常规设计的呼声不是很高。

继续深入研究BWB的动力可能来自民用航空期望达到的环境目标。过去20年中，航空公司的燃油效率提高了一倍。但今后20年中，如果飞机数量再增加一倍，而二氧化碳的排放仍要求保持不变，那么它们的耗油率势必要求再降低50％。同时，据欧盟对2020年的预测，一氧化氮的排放要降低80％，噪声水平降低50％才能使机场一天24小时运行。

能否实现这些改善环境的要求，很大程度上寄希望于减少飞机阻力和重量，减少所需的发动机推力，从而降低产生的排放和噪声。虽然低阻、低重量的新布局新外形在满足这些目标上能起到作用，但正在开发的许多技术也可以大大改善常规设计的效率。

主动气流控制和“全电化”方向

空客公司认为，实现节省50％油耗主要依靠减小阻力。在未来20年中，采用主动和被动的气流控制预期会减少阻力30％或更多。今天，飞机上的气流是通过改变外形和诸如襟翼、缝翼等装置来控制的。明天的机翼将主动和被动的气流控制结合起来，以减少阻力，增加升力。

欧洲正在研究混合式层流控制，将前缘的抽吸和改变翼型相结合，以达到推迟层流向紊流的过度，从而大大减少表面摩擦阻力。这部分阻力占总阻力的一半。NASA和欧洲人也在积极研究用适应性激波控制来减少跨音速巡航阻力——即用在机翼上可变高度的“凸起”来减弱激波。

眼下美国正在研究其他方式的主动气流控制。NASA在实验用脉冲式喷气来延迟气流分离。在前缘的后面和沿襟翼前缘设置一排喷气口，可形成一个有效的高升力系统，代替今天的前缘缝翼和多缝襟翼，组成一个简单的前缘襟翼和简单的襟翼。如果不用增压空气或燃油爆燃为动力的脉冲喷气，也可采用电气驱动的综合喷气。

也就是说，把飞机先搞成更多地采用电气，然后与“全电化”结合起来。即首先在A380上采用以电为动力的电气飞行控制作动，然后实现电气辅助动力、电气环境控制、电动起落架收放和其它系统的电气化。发动机也要电气化，采用轴一体化的起动机／发电机以及电驱动的附件。

从长远讲，发动机有可能用电驱动，即采用氢燃料箱。欧洲在继续研究“低温飞机”方案，即涡轮发动机中燃烧液态氢。这对环境十分有好处。但考虑到地面基础设施和高空凝迹问题，因此美国更趋向于电推进，但最终目标都是一样的——消除二氧化碳的排放。

如果有足够的电源，就可以推动主动气流控制，即采用微电子机械系统(MEMS)或甚至相位等离子场来控制飞机四周的气流。采用形状记忆合金和压电作动器的“灵巧机翼”(即能适应各飞行阶段的气动需要作灵活的变化)控制在美国已经成功地进行过演示。欧洲认为，以MEMS为基础的气流控制系统在未来10～15年内可能成为现实。

人们认识到，传感器、处理器和作动器终将结合到结构中去，使飞机得以改变外形。NASA称之为“适应性结构变形”，它对改善飞机效率有巨大的潜力。虽然要像鸟儿一样轻而易举地改变飞机的机翼形状还是长远的目标，但实现减小阻力增大升力的灵活的、无铰链和无缝控制操纵面却可能在近期实现。

这些技术可能首先应用于常规亚音速飞机，但主动气流控制和适应性多功能结构所提供的潜在的性能提高最终会重新点燃起人们对高速飞机的兴趣。减少机场噪声、减少巡航阻力和高空排放都是使超音速飞机成为可能的关键。

提高效率和减少重量也有助于最大限度地减小音爆。这对飞机在陆地上空超音速飞行时至关重要。美国防务高级计划研究署的“安静超音速平台”(即为机载设备进行超音速试验的低噪声的载体)计划有可能验证能使美国下一次开发出比过去更加成功的一种超音速运输机的机身和推进技术。但到新的努力取得成功之前，或在波音公司决定“音速巡航者”计划重新上马为止，航线飞机的旅客就不得不将就着以MO.85或更低的速度在世界各地旅行了。

责任编辑：思　空

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