先进通用飞机关键技术分析与对策20110316

1先进通用飞机关键技术分析与对策摘要：我国国民经济的快速发展和空域管理宽松化的发展趋势为我国通用航空制造业的发展带来了机遇和挑战。针对固定翼通用飞机关键技术，在分析国外通用飞机技术发展的基础上，凝练出支撑我国通用飞机发展的系列关键技术，最后提出相应的对策和建议。1.引言通用航空是民航运输业的基础，在国民经济与社会发展中发挥着巨大的作用。在欧美发达国家，通用航空器占到民用航空的90%以上。不仅如此，通用航空还可为民航运输业和军事航空提供物质基础、人才基础和工程经验[1]。与美国、加拿大、巴西等通用航空产业发达国家类似，我国幅员辽阔、人口众多，经济总量位居世界第二，已经具备大力发展通用航空的必要条件。但由于我国空域管理严格和通用航空制造业落后等原因[2]，我国与通用航空产业发达国家相比，还存在较大的差距。随着我国国民经济的持续快速发展和人民生活水平的不断提高，预计今后10年间我国通用航空年均增长将达到15%以上[3]。而国家有关部门业已制定、出台相关政策，以适应通用航空的巨大需求。2003年5月1日，由国务院颁布施行的《通用航空飞行管制条例》[4]标志着我国低空空域管理政策开始朝宽松的方向发展，通用飞机的使用环境正在进一步改善。2009年8月，民航总局正式批复同意陕西西安航空基地蒲城通用航空产业园的空域开放试点[5]。2010年8月19日，国务院、中央军委颁布了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》[3]，提出在现行航路内、高度4000米（含）以下，按监视空域管理办法为通用航空飞行提供空中交通服务。在我国空域管理朝着不断宽松的方向发展之时，我国发展相对滞后的通用航空制造业与通用飞机巨大的需求之间的矛盾就愈来愈凸显。为了促进我国通用航空制造业的发展，满足国内通用航空日益增长的需求，特别是我国低空空域开放后通用航空器可能会面临的“井喷式”增长需求，国家有关部门颁布了相关的扶持政策，而国内国有和民营企业也加大了对通用航空器的研究力度。2006年2月颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，2将“低空多用途通用航空飞行器”列入“重点领域”——“交通运输业”的优先主题内容[6]，2006年3月颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》，在“高技术产业工程重大专项”中把通用飞机与干线、支线飞机并列纳入“民用飞机”项中[7]。完全自主知识产权的小鹰500进入批生产阶段，我国目前唯一按CCAR-23-R2进行设计、生产、试验试飞和适航取证并开始交付用户的4～5座轻型多用途飞机[8]。湖南山河科技股份有限公司研制的AURORA轻型飞机于2009年1月实现了首飞[9]。中航工业沈飞公司与美国赛斯纳飞机公司合作生产的L162轻型运动飞机于2009年9月17日进行了首飞[10]，2010年12月22日实现了第100架份机身下线[11]。2008年8月，由重新整合后的中国航空工业集团公司组建了中航工业通飞公司，中航工业通飞公司目前正在开展“天骄”系列喷气公务机的研制[12]。此外，中航通飞公司于2011年春收购了全球领先的活塞类通航飞机制造企业——美国西锐公司[13]，此举旨在加强国内通用航空器的研发实力。本文针对固定翼通用飞机，在分析国外通用飞机发展的基础上，凝练出支撑我国通用飞机发展的关键技术，最后提出相应的对策和建议。2.国外技术现状及发展趋势2.1技术应用现状美国通用航空制造商协会（GeneralAviationManufacturersAssociation，GAMA）将固定翼通用飞机分为活塞飞机、涡浆飞机和喷气公务机[14]。这三类飞机有不同的用途和技术特点。（1）活塞飞机活塞飞机具有价格便宜、重量轻、驾驶和维护性好的特点，被广泛应用于飞行驾驶执照培训、空中游览、空中巡查和搜索，以及城镇间飞行等[15]。活塞发动机在低速飞机上使用，具有燃油效率高、价格便宜等优点。早期的活塞飞机曾广泛采用后三点式起落架，但此种起落架布置方式存在飞行员视野不好、起飞时机身容易仰起等缺点。因此，目前常见的活塞飞机一般采用前三点式起落架的布置方式。当前最具代表性的活塞飞机当属美国塞斯纳公司的塞斯纳172“天鹰”型飞3机[16]。由于其高可靠性、高安全性和出众的性能，该飞机深受市场特别是飞行员培训学校好评。从1956年至今该飞机已售出43000架，而超过70%的现役民航飞行员驾驶过该型飞机。随着美国FAR-23对通用飞机更加严格的安全性要求，轻型通用飞机需要完成15-19g和21-26g飞机过载试验验证，以及要求在飞机上加装闪电防护系统和其它先进的导航设备[17]。美国西锐公司甚至将“西锐机体降落伞系统”（CirrusAirframeParachuteSystem，CAPS）作为SRV、SR20和SR22飞机的标准配置[18]。为了提高飞机的舒适性，美国亚当公司的A500和奥地利钻石飞机公司的DA42飞机提高了飞机客舱的压力。而DA40XLS等飞机采用了数字化的自动驾驶仪以提高飞行员驾驶的舒适性[19]。飞机安全性和舒适性的提高也带来了飞机结构重量的增加。为了降低飞机的结构重量，需要提高复合材料结构的应用范围。随着复合材料技术的不断成熟，世界先进通用飞机制造商相继研制出全复合材料活塞飞机，如奥地利钻石飞机公司的DA40、DA42，美国西锐公司的SRV、SR20和SR22等[17]。（2）涡浆飞机与活塞飞机相比，涡浆飞机价格较贵，主要用于科研飞行、大型飞行培训学校的教学实践、短途客货运以及公务飞行。而在通用航空发达国家，高性能的涡浆飞机正逐步取代轻型活塞飞机[15]。涡浆发动机优缺点介于活塞发动机和喷气发动机之间，适用于低亚音速飞行。据GAMA统计[14]，瑞士皮拉蒂斯公司的PC-12是1998—2010年间单一型号销量最大的涡浆通用飞机，销量共计959架。该机仅安装一台普·惠PT6A涡浆发动机（一副4叶片金属螺旋桨），但机舱比许多双发飞机都大。该飞机机翼加装有翼梢小翼，尾翼为复合材料T型尾翼。PC-12于1991年5月首飞，1997年取得美国联邦航空管理局（FAA）第135部商用单发仪表飞行规则型号合格证[15,20]。美国塞斯纳C208“大篷车”Ⅰ是第一种获准FAA在Ⅱ类着陆条件下按仪表飞行规则作业的飞机。C208-675为C208的改进型，换装了普·惠PT6A-114A发动机[15,20]；“华丽大篷车”为C208的加长型，1998—2010年间交付量为918架[14,15]。4“空中国王”90、200和350是美国比奇飞机公司（1980年被美国雷神公司收购，2007年雷神公司飞机业务被美国霍克公司收购，成为霍克比奇公司）的三款具有代表性的双发涡浆飞机，一般用于公务飞行。这三款飞机均采用悬臂式下单翼、可收放式起落架，机身为铝合金半硬壳式结构[15,20]。“空中国王”90、200和350在1998—2010年间交付量分别为502架、560架和518架[14]。（3）喷气公务机喷气公务机主要用于公务活动飞机，可以根据需要自主确定起飞和降落地点，较早期涡浆公务机具有速度快、航程远、噪音低、乘坐舒适等优点[15]。据GAMA统计[14]，2010年世界所交付的2015架通用飞机总市值为197亿美元，其中所交付的763架喷气公务机（占37.9%）总市值为180亿美元（占91.4%）。由此可见喷气公务机在世界通用航空市场特别是通用航空制造业的重要地位。由于喷气公务机巨大的市场需求，世界上四大民用喷气飞机制造商美国波音公司、欧洲空中客车公司、加拿大庞巴迪公司和巴西航空工业公司业已进军喷气公务机市场，通过将本公司拳头产品改装为公务机，来满足超远程大型公务机的市场需求。喷气公务机主要面向高端客户，而飞行速度、安全性和舒适性均是用户考虑的关键因素。美国塞斯纳公司的“奖状”X飞机是目前世界上速度最快的公务喷气飞机，最高飞行速度达972千米/时。“奖状”X飞机安装了先进的玻璃化航电仪表和高度自动化飞行安全监控与故障诊断系统，可以同时兼顾飞机的安全性和舒适性[21]。为了提高产品的市场竞争力，喷气公务机研制所采用的先进技术，往往需要向先进大型客机技术靠拢，甚至采用比大型客机更先进的技术。法国达索公司研制的“隼”7X是首架采用电传操纵系统和数字化设计与制造技术的喷气公务机[22]，这两项技术在当前的大型客机中已普遍采用。“首相”Ⅰ、“霍克”4000是美国霍克比奇公司在上世纪90年代研制的两款喷气公务机，这两款飞机显著的特征是采用了全复合材料机身[23]，而世界上第一架采用全复合材料机身的大型客机波音787尚未交付用户[24]。场外噪声和废气排放等环保性要求也是喷气公务机需要考虑的重要方面。日本本田公司开发的新一代喷气公务机——HondaJet采用的OTWEM设计技术5[25]，即将发动机安装在机翼上方，这项独特的飞机构型技术可以减小飞机的外场噪声[26]；而该飞机采用的自然层流（NLF）机翼/机头设计技术[27,28]和全复合材料机身，在提高飞机燃油效率30-35%的同时，减少了飞机的排放，从而实现美国航空航天局（NASA）制定的2015年“N+1”目标[29]。2.2发展趋势由本文2.1节分析可知，对于固定翼通用飞机，不论活塞飞机、涡浆飞机还是喷气公务机，均强调飞机安全性、经济性、舒适性和环保性（简称“四性”）。通用飞机实现这“四性”的统一，需要采用提高飞机安全性、降低飞机全寿命周期成本、提高飞机驾驶和乘坐舒适性、降低外场噪声和污染的技术。未来通用飞机技术的发展趋势可以概括为：（1）高经济性技术通航飞机的经济性，主要通过采用低成本制造技术和整体结构技术以降低购机成本；通过提高升阻比和飞行速度、降低发动机油耗、减轻机体结构重量以降低飞机的直接使用成本；通过采用先进材料技术、先进结构设计方法和先进无损检测方法等，以降低飞机的维护费用等来实现。（2）高安全性技术通航飞机安全性的最基本要求是满足适航当局届时的适航要求。此外，需要采用先进的数字式航电系统来降低人为和天气因素对飞行安全的影响。（3）高舒适性技术活塞飞机、涡浆飞机强调驾驶舒适性及乘客的乘坐舒适性，而公务机的座舱舒适性直接决定了飞机在市场上的表现。未来公务机需要采用先进的娱乐、办公系统，以及内饰设计，能为用户提供舒适的客舱工作、休息环境。（4）环境友善性技术环境友善问题包括外场噪声和温室气体（CO2）、污染物（NOx、CO）排放问题，也需要满足届时的适航要求。采用的技术包括先进飞机总体气动设计技术、先进飞机结构设计技术以及先进飞机发动机技术等。3.关键技术为了实现满足我国通用航空产业的需求，国内通用飞机制造企业和相关研究单位需要开展以下关键技术研究：63.1先进通用飞机设计技术先进通用飞机性能和市场竞争力的提升，需要采用飞机总体综合与优化设计技术，以充分挖掘飞机总体设计技术自身有待拓展的研究范畴。飞机总体综合与优化设计，需要综合利用精确CFD、风洞试验和飞行试验成果，应用基于流动控制的先进气动力设计技术、推进系统和机体一体化设计技术、基于气动设计和流动控制的噪声控制技术等，在飞机研制的整个过程贯彻全寿命低成本结构设计，高可靠性、维修性设计和多功能平台及系列化发展设计等设计技术。先进通用飞机设计关键技术主要包括：飞机总体综合与优化设计技术，CFD技术，结构设计与优化技术，结构强度评估与验证技术，结构剩余强度预测，飞机结构实时健康监控技术，飞行性能评估技术，发动机与进气道和尾喷口匹配设计技术，全寿命周期费用评估技术，以及驾驶舱和座舱设计技术等。3.2先进通用飞机发动机技术通用飞机的“四性”与选用的发动机息息相关。低油耗发动机不仅可以提高飞机的经济性，而且还可以减少废弃的排放，提高飞机的环保性。发动机的噪声是飞机外场噪声和舱内噪声的主要来源，提高飞机的舒适性和环保性，减少发动机噪声是一个主攻方向。先进通用飞机发动机关键技术主要包括：通用飞机高效、静音动力系统技术，活塞发动机新型替代燃料技术，飞行全权数字电子控制技术，高效低噪声低排放涡扇发动机技术，间冷回热涡扇发动机技术，发动机健康