国外民用飞机总体气动技术2021年发展综述

2021年，在碳中和远景目标的牵引下，全球航空业正从提高燃油效率的渐进式发展向开发新的低碳推进技术与新燃料的革命性方向转变。其中，可持续航空燃料（SAF）、新型混合动力推进技术、氢动力技术都在2021年取得积极进展。民用飞机围绕航空业未来可持续发展，依旧遵循绿色、节能、降噪、减排的总目标持续推进，总体气动技术呈现出稳中有新的特点。

多项气动技术研究取得突破

HiFly采用A330飞机测试三叶翼梢小翼。2021年6月，葡萄牙飞机租赁运营商HiFly使用一架空客A330作为改装试验平台，测试由德国APC公司研发的三叶翼梢小翼。该翼梢小翼具有3个设置在不同角度的叶片，旨在降低1%-2%的飞机燃油消耗，同时优化飞机的整体性能，这种改装可以在不到1天的时间内完成。

空客推出超高性能机翼技术验证机。9月份，空客公司启动了一项超高性能机翼技术验证机，优化未来飞机机翼的气动性能。该项目基于塞斯纳“奖状”VII公务机平台集成超高性能机翼技术，并在典型飞行条件下试飞。超高性能机翼可与任何推进解决方案和飞机构型兼容，减少碳排放。该技术参考鹰的飞行方式，研究实现机翼主动控制的各种技术模块，可调整机翼的形状、翼展以及表面，提高飞行效率。

DLR利用欧洲跨声速风洞开展飞机起降噪声定位研究。6月份，德国航空航天中心（DLR）首次利用欧洲跨声速风洞（ETW）对巴西航空工业公司的高升力飞机在起降时的噪声源进行识别与定位研究。此次研究中采用了粒子图像测速技术（PIV）和麦克风阵列测量技术。研究结果将与巴西航空工业公司试飞数据对比分析，以便对飞机起降时的噪声源实施精确定位。

日本宇宙航空研究开发机构将与波音合作开发飞机降噪技术。8月份，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）计划与波音合作开发飞机起降降噪技术，降低机场周围噪音的总体水平。JAXA希望能与波音通过飞行测试共同制定降噪技术验证计划，于2022年3月前确定降噪装置的设计概念，开发飞行测试装置，并在2023年前后进行评估。

多学科设计优化能力不断扩展。7月份，斯坦福大学的研究人员在SUAVE概念设计框架的基础上，开发了用于电动垂直起降飞机构型设计的多学科设计优化新功能，包括电池损耗建模、螺旋桨推力和升力面气动力耦合分析、全机声学预测方法。

空客完成EcoPulse推进系统风洞试验。6月份，空客在其英国菲尔顿工厂完成了EcoPulse验证机的推进系统风洞试验，该推进系统包括功率为50千瓦的赛峰电机、DUC航空螺旋桨以及空客制造的发动机短舱。此次试验，分析了螺旋桨与电机冷却系统的整体性能，测量了电机以不同速度功率水平运转时的推力，还对螺旋桨进行了评估。

常规构型飞机持续改进

波音737MAX 10飞机首飞。2021年737MAX在全球多个国家获得复飞许可，年交付量达到245架。自2020年11月737MAX重新获得美国联邦航空管理局（FAA）认证以来，于2021年加拿大、英国等国家都为该型飞机的复飞亮了绿灯，全球多家航空公司的737MAX重新投入运营。我国也在2021年底向737MAX发布了适航许可。波音737 MAX系列中最大的型别737 MAX 10，于6月18日从华盛顿的伦顿市政机场起飞，飞行约2个半小时，飞机的各个系统、飞行控制与操纵品质都完全符合预期。波音将与监管机构密切合作启动全面测试工作，以尽快获得型号合格证，确保2023年投入运营。

图1 波音737MAX 10飞机

生产缺陷致波音787暂停交付。2021年年中，波音787被查出存在生产缺陷并暂停交付，全年仅交付14架，远低于2020年53架的交付量，与其疫情前百架以上的交付水平更是相去甚远。此外，波音公司表示，由于新冠疫情影响，777X的认证将延迟到2023年底。

空客A321XLR飞机进入制造阶段。空客公司于2021年开始进行第一架机的前机身、中段机身和后机身以及机翼的主要部件组装，预计在2023年进入运营服务。2021年2月，空客公司已开始进行首架A321XLR窄体客机零部件生产；4月，完成了首个中央翼盒组装，随后又完成了首个后部中央油箱组装；7月，进行机头和前机身的组装；12月份，首架A321XLR测试飞机进入最后总装阶段，并计划于2022年进行飞行测试和适航认证，2023年投入使用。

图2 A321XLR首架测试飞机总装

MC-21飞机获俄罗斯型号合格证。3月份，俄罗斯伊尔库特公司一架MC-21-300飞机飞抵俄罗斯北部的阿尔汉格尔斯克，开展自然结冰下的飞行评估认证。4月份，MC-21-300完成一系列自然结冰认证测试，表明MC-21-300符合俄罗斯及欧洲航空标准，12月28日，获俄罗斯联邦航空运输局颁发的型号合格证。

巴航推出新型涡桨支线飞机。2021年8月，巴航发布了下一代涡桨飞机概念。根据巴航发布的概念图及相关信息可以看出，新涡桨飞机基本构型仍采用传统形式，基于现有E-jets飞机进行改装，采用尾吊式发动机、T型尾翼布局。据称，该款机型可作为基础平台，在未来集成新型推进系统。新型涡桨飞机包括70座和90座两个型别，并有望于2027年投入使用，将成为ATR 72系列和Dash8 Q400等飞机的市场竞争对手。

图3 巴航工业的新涡桨支线飞机概念

新能源飞行器推陈出新

空客公司推出新一代CityAirbus飞行器。9月，空客宣布了新的CityAirbus计划。该机是一种零排放的全电动飞行器，可搭载4名乘客，采用分布式推进系统，配备了固定翼、V 形尾翼和8个电动螺旋桨，并针对悬停和巡航效率进行了优化，航程可达80千米，巡航速度可达120千米/小时，适合在主要城市执行各种任务。CityAirbus采用低噪声设计，飞行声级低于65dB（A），着陆声级低于70dB（A）。

图4 空客CityAirbus NextGen飞行器

巴航推出Energia系列全新飞机概念设计。为支持航空业在2050年实现净零碳排放目标，11月份，巴航推出了4款采用可再生能源动力的全新飞机概念设计Energia系列，其中两型9座级小型商务机（E9-HE和E9-FE）、一型19座级小型客机（E19-H2FC）、一型35~50座级小型客机（E50-H2GT）。4型飞机在总体和气动布局上具有很高的相似性，都采用常规气动布局、T形尾翼和置于机身后部的螺旋桨发动机，但动力系统不同，分别采用电力、氢燃料电池、双燃料燃气轮机和混合动力等不同的推进技术。

图5 巴航工业推出的Energia 系列4款概念飞机

Electra公司推出新型多功能混合电动超短距起降客机。6月份，Electra公司推出混合电动超短距起降客机。该机翼展14.63米，由8台混合动力装置驱动电动螺旋桨提供升力，可在足球场大小的场地内安全起降，起降速度不大于48公里/小时，可搭载7名乘客和1名飞行员，设计航程约804公里，巡航速度320公里/小时。计划于2026年获得美国联邦航空局型号合格证，2027年投入运营。

德国航空航天中心研发百座级混合电推进支线飞机系统。11月份，德国航空航天中心（DLR）、空客、罗罗、包豪斯航空联合研发百座级混合电推进支线飞机系统，采用分布式混合电推进方案，机身安装涡轮发电机，沿机翼前缘布置10台电动机。螺旋桨的优化设计和分布式电推进可有效减小机翼翼展与尾翼尺寸，降低约10%的能耗。

混合动力雅克-40进行飞行演示。7月份，在莫斯科航展上，配备燃气涡轮发动机与超导电机混合动力装置的雅克-40LL验证机进行了演示飞行，该动力装置于2月开始测试。

ZeroAvia公司多尼尔228飞机推进氢燃料飞行测试。7月份，ZeroAvia公司称已获得两架用于飞行测试的19座多尼尔228飞机，研发氢燃料验证机。采用两台600KW氢电推进系统替换目前的两台发动机，氢燃料箱可储存100公斤的液态氢，保证航程可达到800公里。

英国FlyZero项目公布零排放客机概念。12月份，英国FlyZero项目团队公布了两型零排放飞机（液态氢动力中型客机、单通道中小型客机）设计概念。液态氢动力中型飞机能搭载279名乘客，可在伦敦和旧金山之间连续飞行，航程约5000海里（9260公里）。单通道中小型客机概念，在12月1日英国皇家航空学会推进系统会议上进行了展示了。

欧美多家航空企业开展可持续航空燃料试飞。11月份，罗罗、空客、德国航空航天中心（DLR）、SAF生产商耐斯特和曼彻斯特大学、加拿大国家研究委员会在法国图卢兹合作使用一架A350飞机开展可持续航空燃料（SAF）试飞，并通过后方100米的一架小型飞机检测排放情况，测试结果预计明年年底发布。美国联合航空与波音公司、CFM国际公司将合作进行使用100%SAF试运营一架全新的737 MAX 8飞机，其中一台发动机使用500加仑SAF，另一台发动机使用相同体积的常规燃料，搭载100多名乘客从芝加哥飞往华盛顿特区。巴西航空工业公司与普惠签署谅解备忘录，计划制定一项E195-E2飞机使用100% SAF的综合地面与飞行试验计划。

超声速民机技术取得新进展

Aerion公司提出AS3超声速客机计划。3月份，Aerion公司透露，将开发新一代超声速客机AS3飞机，可搭载50名乘客，以4马赫速度飞行7000海里（12964千米），预计将在2030年前首飞。5月份，Aerion超声速公司未能筹集到足够的资金继续开发AS2超声速公务机，公司终止了运行。

图6 Aerion公司的AS2超声速客机

美国轰鸣（Boom）超声速公司继续开发其XB-1验证机。于6月份获得美国联合航空公司采购15架“序曲”超声速客机的订单。同时，如果“序曲”满足安全、运营和可持续性要求，美联航还会追加35架该型客机的选择权。“序曲”超声速客机将采用100%可持续航空燃料，其最大飞行速度可达马赫数1.7，是当前最快客机飞行速度的2倍，计划2025年完成原型机总装出厂，2026年首飞，2029年正式投入运营。

X-59技术验证机进入总装准备阶段。9月份，NASA公布完成了飞机外部视觉系统（eXternal Vision System，XVS）的各项测试工作，包括飞行测试和结构稳定性测试（结构完整性振动测试），准备好了将该系统安装到X-59上。11月20日，美国NASA公布已拆除X-59静音超声速技术（QueSST）验证机的外部支架，将在检查机身结构后进入总装准备阶段。

来源 | 民机战略观察

作者 | 航空工业发展研究中心 王妙香

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