2020年民用飞机总体气动技术发展回顾

2020年，世界民用飞机的发展依旧围绕绿色、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发展特点。电推进飞机依旧是民用航空研究热点和未来的重要发展方向之一，世界多国、多家企业及研究机构的多种电推进飞机方案持续推进；氢能成为民用航空动力的又一研究热点，推动飞机总体气动技术的改进，促进航空业向低碳及零排放的方向发展；波音公司、空客公司等航空主制造商持续不断探索新型气动布局及各种气动技术的潜力，为推进民用航空可持续发展，各国的建模仿真及试验等基础技术也在稳步推进。此外，随着各项技术的发展以及人们对高速旅行的需求，超声速民机关键技术的研发也在持续推进。

常规机型持续改进

2020年度，尽管受疫情影响，空客公司坚持A321XLR项目研制。4月，该公司已经生产了首架A321XLR的第一批金属部件，并完成了A321XLR关键部件的供应商选择。目前，已有24家客户订购了约450架A321XLR飞机，空客公司计划于2022年开始对A321XLR飞行测试，于2023年开始服役。10月，空客公司推出了ACJ220公务机，这款公务机不仅创造了“超大型公务机”这一全新细分市场，还首次提供灵活的客舱类型选择，以满足客户对大型以及远程公务机的需求。ACJ220公务机已获得首批6架订单，首架ACJ220公务机计划2023年初交付逸华航空并投入运营。

波音777X飞机飞行测试进展。波音公司的777X飞机是当前最大的商用双发运输机，由GE航空公司的GE9X发动机提供动力，该型机翼展长71米，采用复合材料及新型折叠翼尖，以方便机场运营。于2020年1月25日首飞，后来受疫情影响，波音减缓了777X的飞行测试工作，4月，第二架波音777X成功完成首飞，测试飞机的操纵特性等科目。第一架机已经完成约100小时的飞行试验，对襟翼、速度、高度和系统设置等进行了测试。

三菱“天空喷气”（SpaceJet）支线飞机项目调整。2020年，鉴于新冠疫情的影响，三菱重工面临严峻的财务困难，2月6日，三菱宣布将M90交付时间推迟至2021年，5月份，三菱宣布暂缓研发M100，并将其投入运营时间调整为2023年。10月份，三菱重工声称考虑到研发状况和市场环境，将进一步削减陷入困境的“天空喷气”项目预算，“暂停”M90相关开发活动，但仍继续进行型号取证文件编制工作。

新能源飞行器研制进展

空客公司的混合动力电动验证机E-Fan X项目旨在探索混合电推进系统在民用航空中的发展潜力，项目得到欧洲“洁净天空”2的支持，由空客和西门子于2016年发起，2017年罗罗加入该项目，并于2019年收购西门子电动航空部门。该项目在2020年度2月份，完成了E-Fan X飞机风洞试验，此次试验测试了这种混合电推进验证机的气动设计、低速性能和飞行品质。4月份，由于疫情对航空业造成了严重影响，空客与罗罗公司对研究项目的优先级进行重新评估，共同决定终止E-Fan X演示验证计划，但该项目研究工作取得了丰富的成果，探索了包括混合电推进系统架构、电池技术、高压电 系统以及适航取证相关知识。

7月，英国EAG公司表示，计划开发70~80座的混合动力支线客机（HERA70），预计于2028年投入使用。作为串联混合动力飞机，HERA 70预计研发成本50亿美元，最大起飞重量为48500磅（22000千克）；以275节的速度在25000英尺（7.62千米）高度飞行，航程为800海里（1482千米）；随着电池的改进，到2030年航程增加到1200海里（2222千米）；与ATR72涡桨飞机相比，其噪音水平将降低40％，利润率提高50％。9月，由EQT Ventures支持的瑞典Heart Aerospace公司发布了电动推进系统，该系统将为ES-19支线客机提供动力，预计在2026年夏季投入商业运营。12月，德国德意志飞机公司表示将开发D328eco型低排放飞机，面向50座级以内的支线通勤市场。

为积极应对当前温室气体排放、减少航空运输对环境的影响，多家飞机制造商及研究机构开始关注氢能在航空领域使用的可行性。6月，ZeroAvia公司在6座派珀M350基础上改装的测试飞机在英国克兰菲尔德机场进行了首次氢燃料电池动力飞行。9月21日，空客公司公开展示了世界首架零排放商用飞机的3种设计概念，旨在探索各种动力技术和气动布局，率先在整个民用航空业实现脱碳。9月，环球氢能公司计划将支线客机（冲8-300）改装为氢燃料电池动力飞机，该公司宣布与美国电动飞机推进系统开发商magniX展开合作，以促进氢燃料电池于近期在商用航空中获得应用。

新型气动布局研究持续推进

2020年度，俄罗斯茹科夫斯基中央气动和流体力学研究院（TsAGI）继续未来干线飞机飞翼布局研究工作，优化飞翼气动布局，消除发动机短舱、挂架和机翼之间相互作用的不利影响。3月份，TsAGI已用钢和铝合金制作飞翼布局模型，模型采用整体式设计，中央机翼较大，对接机翼检测装置，带有V形双垂尾。7月份，完成了未来干线客机“飞翼”（LK）布局模型在T-128风洞的阶段试验，研究了巡航状态下的综合气动特性，包括拆除短舱，确定气动干扰量化数值，试验表明干扰阻力明显降低。还计划进行模型绕流显示研究。下一阶段的试验将在TsAGI的T-106风洞中进行，并通过可视化方法研究流动的物理机理。

翼身融合布局是指机翼和机身高度融合的全升力面飞机外形，多项研究表明，翼身融合布局的气动阻力较小、飞行效率高、结构重量轻、装载空间大、不但节能环保，还能有效降低噪声和发动机有害气体排放，是有望实现未来绿色航空“经济、环保、舒适、安全”要求的民机革命性布局技术之一。2月，空客公司在新加坡航展上展示了MAVERIC（用于验证和试验稳健创新控制的飞机模型）“翼身融合”民机缩比模型技术验证机。空客公司于2020年9月21日公布的代号为ZEROe的3型零排放商用客机概念方案，其概念方案之一采用“翼身融合”布局，动力系统为分布式涡轮风扇发动机，可搭载200名乘客，航程与涡扇方案类似，约3700千米（2000海里）。

“Flying-V”翼身融合概念方案由代尔夫特理工大学研发，并得到空客和荷兰皇家航空公司的支持，其缩比验证机于2020年9月份在德国一个秘密空军基地完成首飞。荷兰代尔夫特理工大学介绍，“Flying-V”在设计阶段就已经考虑到了未来飞机在动力系统上的改进，当未来有更新的、电动化的动力系统出现后，“Flying-V”也能够很容易地与之适配，其最终目标是在飞行中实现零排放。

分布式布局体现了飞机设计从单一动力研究到飞机总体、动力、机电等技术集成研究的变化，很有可能成为航空业革命性的转折，为航空科技发展提供新的方向。NASA 一直在推进全电动飞机X-57“麦克斯韦”分布式布局方案研究，2020年3月，NASA官方发布了X-57 最终构型概念图，即Mod IV，描绘了X-57在不同阶段的状态。X-57采用大展弦比机翼，减少飞行阻力，提高效率。4月，NASA的首架全电动飞机——X-57进行了地面试验，成功验证了该飞机具有发送遥测信号的能力，可确保试验团队在飞行过程中能跟踪关键任务数据。6月，NASA该项目的承包商实验系统航宇公司对X-57飞机的电动巡航电机和大展弦比机翼进行装配和合格试验。

NASA表示可能会开发一种试验飞机X-plane，来评估下一代航空技术，这些技术可用于2030年投入市场的下一代单通道商用飞机。NASA局长布莱登斯汀表示，NASA可以使用这种飞机来评估桁架支撑机翼、小核心机涡扇发动机和先进电力系统。

多项气动技术研究取得进展

“信天翁一号”验证机成功进行了全流程演示，标志着全新里程碑的顺利实现。最新的飞行测试证明，翼尖的自由摆动可以减轻机翼负荷，并且避免翼尖失速，从而改善飞机性能。

2020年初，空客直升机的创新声学团队进行了一项研究，以测量城市居民对空客直升机感知到的噪音声级以及建筑物如何过滤声音，以支撑未来垂直起降飞行器（eVTOL）的设计评估。4月，“洁净天空” 站介绍了INSPiRE项目在飞机结构与发动机耦合噪声分析领域的研究进展，该项目旨在发展可用于工程实际问题的可靠、高效的流场噪声模拟方法，并进行应用和验证。9月，空客表示，已经与两家航空公司及3家空中导航服务供应商签署协议，共同验证其子公司UpNext负责的Fello fly演示机项目在减排方面的可行性，并计划于今年使用两架空客A350进行飞行测试。11月，空客探索降低直升机噪音的技术与新的操作方法，着眼于未来城市空运环境。

7月，波音宣布继续推进“生态演示验证”项目，以阿提哈德航空公司的787-10飞机作为飞行测试平台，本次环境试验降噪项目主要包括机身噪音测试和起落架噪音测试。在机身噪音测试中，波音公司与NASA合作，在机身外部和机场地面安装了1200个麦克风。在起落架噪音测试中，波音公司与赛峰起落架系统公司合作，开展飞机起落架降噪研究；降噪测试计划于8月开始，通过在飞机和地面上安装传感器进行飞机噪声测量。9月，波音与赛峰成功完成了赛峰开发的被动降噪整流罩的飞行测试。该测试将实验整流罩安装在阿提哈德航空的78710的起落架上，测试其是否降低了主起落架、转向系统等周围产生的噪声。

多学科设计优化软件开发和地面试验取得进展

3月，NASA发布了第3版OpenMDAO软件，对软件的操作界面做了修改，提高了软件的可访问性和易用性。5月，中央弗洛里达大学发布了新版PiNN软件。该软件是一个开源的物理信息化神经 络模型代码，这项工作拓展了当前神经 络的功能，可对涡轮轴承的疲劳和机身壁板的腐蚀疲劳进行累积损伤建模。6月，德克萨斯大学奥斯汀分校计算工程与科学研究所的研究人员发布了科学机器学习“算子推理”程序包。该程序包可以直接从高精度仿真数据中学习获得降阶模型。

5月，NASA Spinoff机制（技术转让计划）认可了位于加利福尼亚的航空工程公司M4 Engineering 开发的M4 Structures Studio（M4SS），该软件程序可以对非常规飞机进行优化设计。该软件简化了结构分析模型生成、尺寸和重量估计过程，可用于非常规飞机配置。11月，NASA在兰利研究中心进行了X-57 Maxwell飞机的风洞试验。风洞试验历时两周多，还完成了14小时的螺旋桨通电运转。随着新的电动飞机市场的出现，NASA X-57项目的主要目标是与监管机构共享电推进设计、经验教训和适航过程。

美欧持续开展超声速民机关键技术研发

在疫情影响下，开发新一代超声速飞机的各家企业仍继续推进项目，并且坚称经济低迷不会阻碍航空业向超声速商业飞行的必然过渡。Aerion公司、Boom公司和SpikeAerospace公司等超声速初创企业正在调整设计、组织演示验证、计划首飞、关注清洁能源。

Boom在2020年早些时候完成了XB-1静翼载荷测试和机翼与机身的对接。Aerion公司在4月宣布将在2024年前让AS2完成首飞，2026年投入使用。5月，Aerion公司提出，2050年发展全电及混合电推进超声速/高超声速民用飞机计划。目前还有多项技术难点亟待解决，如热管理和全电推进飞机的重心问题，前者需要开发主动冷却、非烧蚀高温蒙皮等新型技术和新型高能量密度电池及相应的能量管理技术；后者无法像传统飞机一样通过燃油进行调整，也需要相应的解决方法。

2月，Boom Supersonic公司对XB-1机翼结构实施密封工序，使主要结构成为一个完全封闭的结构。4月，公司完成了XB-1机翼组装和所有机翼测试项目，确定了三个关键结构对接，完成了XB-1机翼结构组装工作。10月，公司公布了全球首架自主研发的超声速喷气机XB-1演示验证机。在XB-1在飞行测试中突破音障后，将最终确定“Overture”的设计，计划于2025年推出。

4月，俄罗斯工贸部发布了7.17亿卢布的“高超声速飞机研制”项目招标书。5月，俄罗斯中央空气动力研究所宣布，俄罗斯计划以米格-29战斗机为基础，研制新一代超声速民用飞机的原型机，预计其飞行速度可达到2马赫。9月，俄罗斯联邦政府开始筹建国家超声速客机研发中心，旨在构建先进的低声爆超声速飞机概念设计以及气动等相关专业技术知识库，重点解决未来超声速航空领域的基础技术问题。

9月，Exosonic公司获得了一份来自美国空军的合同，开发一款低空超声速客机作为“空军一号”的备选机型。Exosonic公司是一家初创企业，致力于开发静声、速度1.8马赫以上且航程超9000千米的70座超声速客机。

9月，美国德克萨斯大学阿灵顿分校（UTA）宣布与Ansys公司联合开发一款先进的设计与分析工作流程，以验证美国当前与下一代超声速飞行器中的系统模型。该工作流程将快速认证仿真软件代码，有助于推动从航天器再入热保护系统到超燃冲压发动机燃烧技术等一系列关键高超声速技术的发展。