未来的民航客机

　　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 6,100 万吨航空燃油，美国军方则使用了约 1,420 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）降低 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。

现今机场典型噪音分布，越往内圈噪音级别越高

　　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，14,800 公里航程，M0.85 巡航速度；货机则为 45 吨载重，航程 12,000 公里。在 2012 年 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 X-48 是波音的未来民航技术验证机

　　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。