首都科学讲堂｜第774期：冲上云霄——未来民机畅想
本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。
近日，国产大型客机C919完成国内取证试飞，首架C919飞机将于今年12月交付，这标志着我国已具备自主研制世界一流大型客机的能力，是我国大飞机事业发展的重要里程碑。我国为什么要研制大飞机？令人自豪的国产大飞机是怎么被设计出来的？未来民用飞机都有哪些技术创新？
本期首都科学讲堂邀请2022年北京“最美科技工作者”、中国商飞北京民用飞机技术研究中心项目预研总师张驰，为公众讲述创新攻关背后的热爱和建设航空强国的梦想。
主讲嘉宾：
张驰
2022年北京“最美科技工作者”，中国商飞北京民用飞机技术研究中心项目预研总师，北京市青联委员、昌平区青联副主席
飞跃山海，使命源于热爱
我是一名来自中国商飞的航空工程师。从小到大，我对航空充满了热爱，小时候我喜欢看蝴蝶、蜻蜓，想去弄明白它们飞行的原理是什么。长大后去读书，我学的专业或多或少与飞机、航空有很近的关系，后来我还学会了驾驶飞机。正是热爱，让我加入了中国商飞，投身于我们国产大飞机的事业当中来。
▲张驰在飞机驾驶舱内留影
对我来说，飞行最大的意义是让人们可以从一个地方到另外一个地方。飞机这种立体的交通工具，让人们不再受地形、江河和海洋的限制，增添和世界的连接。我也相信，在未来会有越来越多的人乘坐飞机出行。
在我刚加入中国商飞的时候，我并不是直接参与国产大型客机的研制，而是先做了一个非常有挑战的任务——去探索未来15—20年，我国需要什么样的大型客机。
在开发这种高端的商用飞机产品的时候，安全是第一位的。当时组织了一个团队叫做梦幻工作室，使用无人机的技术，把我们的想法做成各种各样的验证机和飞行验证平台，去探索和尝试哪些技术是可行的。
我们花了几年的时间，用不同的布局、不同的动力技术和不同的工艺方法，做了各种各样的创新尝试。有的是新能源飞机，我们尝试用电来驱动；有的是新构型飞机，所以它的“长相”有点圆圆胖胖，和现在的商用客机不一样，但它的阻力很低，可以飞得更加高效；还有的是“一次性”飞机，我们尝试用3D打印做出来了一架飞机……这个过程当中，我们不断地探索，最终寻找出了可行的答案。
一转眼我加入中国商飞有小十年的时间了，在这个过程中，我始终非常感激和感动于所从事的这项事业。很多人问，我国为什么一定要造自己的大飞机？
我想说的是，中国是一个拥有14亿人口的泱泱大国，现在已经是全球第二大的民用航空市场，在未来几年，我们就会成为全球最大的民用航空市场。如果不做中国人自己的大飞机，就意味着翱翔于祖国蓝天的飞机全都是进口的。要知道，我们每要去买一架这种大型客机，就意味着我们要出口上亿件的衬衫，才能够去实现收益上的平衡。所以说，如果我们要让民用航空市场有一个健康的、正常的发展，就一定要发展国产的大型客机。也正是在这样的机遇下，我加入到了大飞机的事业。让越来越多的国产大型客机翱翔于蓝天，就是我的梦想。希望以后有一天，通过我们共同的努力，当我们带着家人坐上飞机的时候，能够自豪地跟他们介绍我国自己的大飞机。
我国提出了航空产业发展规划，在“十四五”时期，要加快民用飞机的产业化，完成大型客机的研发，启动宽体客机的研究，加快新型支线客机等系列化的改进。同时我国也发布了关于促进通用航空业的发展意见。换句话说，刚刚所讲的商用飞机都很大，要搭载一百多人，但未来轻巧型的飞机将会有越来越多的机场可以去运行，会有越来越多的航空器供大家使用，建立起一个新的、万亿级的市场。而这些的出现，都会让未来出行变得越来越便捷，越来越多样化。
对于未来的商用客机的发展趋势，我们可以总结为大约四个方向：一是更加环保。要降低二氧化碳的排放，这也符合我们国家“双碳”战略的要求。也要降低氮氧化物，因为飞机燃料的燃烧会形成氮氧化物，造成环境污染。同时，还有噪声排放的降低，因为飞机产生的推力还是比较吵的，我们尽量要降低这种噪声对于社会以及自然的影响。
二是更加安全。一方面要保证飞机本体的安全，另一方面要保证飞机在极端气象条件下仍然能够安全。另外，我国是拥有高原最多的一个国家。飞机在高原的起降实际上是颇具挑战的，我们也要保证在高原起降时的安全性。
三是更加便捷。飞机虽然飞得很快，但是它也会偶尔晚点。如何让飞行变得更加准点？这里一方面需要加强制度保障，另一方面也需要提升自动化空管技术、智能化技术的应用。
四是更加经济。对比其他公共交通工具来说，乘坐飞机还是比较贵的，但如果能够通过技术革新降低能耗和成本，最终也会让机票变得更加便宜。
另外，我们还要考虑乘坐飞机的舒适度和智能化技术的应用。我们可以提供一些智能化的服务，例如在飞机上上网、打电话，还有一些智能化的运营，意味着我们出行的方式可以有更多的选择，比如未来可以选择更多小型飞机，让出行变得更灵活。所以，环保、安全、便捷、经济、舒适、智能，一定是未来民机发展的非常重要的技术领域和方向。这也同时为工程师们指明了如何去研发更好的飞机的方向。我们希望未来研发的产品是乘客愿意去坐，飞行员愿意去飞，航空公司愿意去买的商用客机。
创新驱动，未来民机什么样
接下来，我们畅想一下，未来的客机会是什么样子？首先来说，如今的商用飞机已经发展得非常成熟了，根据飞机不同的大小和尺寸，我们可以把飞机看成两大类。
第一类，我们称之为单通道客机，因为这类客机只有一个过道。以C919为例，这一类客机的航程通常是在3000—5000公里左右，座级在150—180个人之间，这个量级基本可以覆盖我国主要的城市之间的交通和出行需求，所以我们把这一类客机称之为单通道客机。
另一类，我们称之为双通道客机或宽体客机，因为这类客机有两条过道，一排能坐8—10个人，甚至更多。这类客机可以飞过太平洋或大西洋，能够完成洲际之间远距离的出行。通常航程在10000公里以上，搭载人数280—300人，甚至更多。
在单通道客机和双通道客机之间有一个空白的区域，我们称之为“中间市场”，你会发现能够搭载200—250人、飞8000公里航程的飞机产品非常少。地球的布局决定了8000公里的航程，显得相对“鸡肋”——要么短一点，完成国内飞行；或者长一点，一定要跨过太平洋或大西洋，所以从这个角度来说，中间市场相对空缺。但未来，由于机场设施变多，中间市场正在被密切关注。
如今飞机的新兴市场中，还有一类就是飞得更快的商用超声速客机，它搭载的人相对少一点，在40—50人左右。目前航程多在5000公里左右，未来也朝着10000公里航程的洲际旅行目标的方向在发展。
作为一个航空工程师，我一直觉得有一个不过瘾的地方，就是现有的飞机都长得一个样，我们称之为传统构型的飞机，它们都是一个圆筒形的机身，然后在翅膀下夹着两排发动机。而未来的飞机会有一些新构型，例如大家能够看到的波音研究的BWB构型的客机，它的最大特点就把机身和机翼融为了一体，没有明确的界限，外形有点像大海当中的蝠鲼。这种飞机阻力特别小，也可以容纳更多的乘客，从而能够让飞行变得更加高效。
另外，还有一类飞机，我们叫做桁架支撑翼结构的飞机，这一类的飞机特点是，机翼的下面又伸出了一个小小的支撑杆。有这种支撑杆的出现，就可以让机翼更加细长、阻力更小，也可以降低飞机的结构重量，同时提高经济性。
再例如，现有飞机的机身都是一个细长条的圆筒形，未来可以做成两个，把乘坐空间变得更大。美国洛马飞机把发动机放在了机翼上面，做出了混合翼身融合布局的飞机。这种新型的气动布局可以有效地改善飞机的气动效率，从而让飞机更加省油，让出行变得更舒适。在欧洲和俄罗斯，也做了各种各样的前沿飞机的探索。
除了飞机构型上的变化，飞机的燃料能源也极有可能会发生变化。当前我们的商用飞机都是使用航空燃油的，但我们也一直没有停止思考或尝试：是否可以不再依赖于化石能源，而是使用电来驱动，把风能、水能、太阳能等这些可持续的清洁能源注入到航空的运行体系当中来。
我和我在做的LQ-H飞机有过一个合影。这架飞机的特点：第一，它是用电来驱动的。第二，它的能源来自氢气，它是氢气和氢燃料电池进行电化学反应之后发电来驱动飞行的，相较于传统锂电池，氢能源的优势在于零碳排放和续航时间更长。随着“双碳”战略目标在2019年被提出，新能源正在成为未来民机发展的重要方向。
我们正在开展商用飞机电推进技术的研究，旨在探索未来商用飞机如何实现电动化，主要是使用超导技术来驱动飞行。电有一个特点，就是功率越大，电流和电压就越大，这是一个非常简单的物理常识，就是功率等于电压乘以电流。
所以如果是C919体型的商用飞机要起飞的话，那么它需要的电的机械输出功率是20兆瓦，也就是20000千瓦的水平。假设使用1000伏的电压，就意味着需要用20000安培的电流。这是个什么概念呢？给大家举个简单的例子，以三峡大坝的一个发电机组为例，它所发出的电流也只有5000多安培。
可以想象，如此大的电流装到商用飞机上，会是一件非常有挑战的事情。但是如果把超导技术用到商用飞机上，就意味着电阻为0，那电流就无所谓了。飞机可以飞得更加绿色，更加高效。
还有一个非常重要的方向就是无人智能的飞行驾驶。这意味着未来飞机可以解放人力，更加灵活。但我们需要建立一种智能化的运行体系，能够让无人驾驶的飞机和有人驾驶飞机一样安全。同时，也要关注研究如何让有人机和无人机在同一片蓝天下飞行。
还有一个领域也是能源变革可能带给我们的，这个领域叫做城市立体交通。当无人驾驶和新能源出现，有一种新型的交通工具叫做垂直起降飞行器，可以完成在大型城市内的飞机出行。我们把它称之为eVTOL，使用电力驱动，全球有超过200家企业目前在研制这种飞行器，有的就是一个人背个小书包就可以飞起来的，有的可以坐两个人或者四个人，就像乘坐出租汽车一样。
超声速飞行也是一个重要的研究方向。无论是新构型还是新能源，这些飞机的飞行速度相对还是比较慢的。但如果飞机飞行速度超过声速，接近每小时2000公里的水平——意味着从北京到上海只用不到半小时就可以抵达，这会是一个非常好的市场领域。世界各国都制定了长远的研制计划，设计出了各式各样的超声速飞机，有一些实际上已经飞上蓝天，开展技术验证了。
欧洲当前在研制高超声速飞机，它们的飞行速度可以达到马赫数5，也就是5000公里/小时的速度。它的发动机往往是一种组合动力——既像是传统商用的发动机，同时也可以是一种火箭来驱动的。这样的高超声速客机更像是一个航天器，那就意味着实际上我们可以成为一名太空旅行者。虽然说在今天还难以想象，但是我相信，随着技术的不断发展，一定也会带来一些新的市场，让我们的出行不只是奔向目的地，更享受出行的乐趣。
趋势引领：智能高效安全环保
我们再继续畅想一下，未来智能化会对飞机带来什么样的改变。其实飞机的智能不只是改变了飞机的驾驶，智能是围绕着飞机从设计、制造、运行、服务到维护的各个环节来体现的。
例如我们可以用智能的材料，让飞机能够像鸟儿一样，在不同的飞行条件下，拥有不同的外形，给人们不同的出行方式感受。例如我们可以有智能的飞行，飞行时不是在机械地沿着一条直线走，而是根据实际需求，寻找最优路径去飞行。再例如，我们有智能制造系统，让机器人帮助组装制造飞机，精度更高、效率更高，甚至于出现一种叫做“关灯工厂”的存在，因为机器是不需要周围光源的。通过这些各种各样的场景，你会发现智能的技术一定会带来商用飞机的新业态。
现在很多飞机交通运行的时候，还主要依靠人在雷达屏幕上去调度指挥它们。飞机空管还是依靠对讲，用语音和飞行员进行沟通。假如我们有了高速的网络基础下智能的空管，就一定会显著地提升飞机的运行和空管的效率，意味着飞机飞行的时候除了有高度、精度和纬度，还可以加上时间维度。到那时，飞机会变得更加准点，出行更加灵活。因为有网络的存在，飞机所有的数据都可以传到地面上，或者其他的飞机来协同地进行管控和监控，从而提升整个飞机的安全水平。这个过程中非常重要的就是，智能是建立在互联的存在上的。所以可以这么说，未来客机除了飞行在空气当中，也会飞行在网络和数据当中。
另外一个非常重要的事情就是，智能也会改变我们乘坐飞机的体验。现在乘坐飞机的时候，我们如果坐在经济舱，只是一个非常普通的座椅，透过舷窗只能看到非常有限的空间。
在未来的智能化技术里，我们可以将虚拟现实技术引入到客舱中，通过一些投影技术，可以建立起全息、沉浸式的画面，比如穹顶的星空。也可以在飞行过程中，尽情享受网络和娱乐。智能化技术的引入会让飞行变得更加安静和舒适。
还有一个非常重要的事情就是，智能化也会让飞机驾驶变得更简单。我本人是一名飞行员，有非常长的飞行驾驶经验。早期飞机的驾驶舱里，其实是有五名驾驶员的：机长、副机长、通讯员、导航员（负责去看地图来指示飞机在哪里），还有一个飞行的工程师监控着飞机上的各个系统。随着自动化水平的提高，五人组变成了三人组：正机长、副机长和一名飞行工程师。而现在又减为两人：正机长和副机长。
随着智能化的引入，相信飞行员的驾驶需求会变得越来越少。简单地说，未来飞机驾驶系统一定很简洁，就跟打游戏一样在屏幕上点一点就好了，不需要繁杂的仪表存在，变得更智能也就意味着很多的工作实际上是由计算机去辅助人来完成的。
同时，驾驶时也可以让飞机在感知周围状态的时候变得更高效。因为在空中飞行时，一旦有云的遮挡就看不到地面，但如果能够引入一些红外摄像头、夜视摄像头，我们就可以穿云去看地面，最大限度来保证乘客的安全。这里也可以引入虚拟现实手段，把虚拟画面和现实画面进行融合，来提升飞机驾驶过程中的态势感知能力及飞机的安全。
所以说，未来的商用飞机发展一定是天、空、地、云一体化的。换句话说，飞机不再是一个个体，它会成为一个智能终端，是整个运行体系的一部分。同时太空中的卫星会来指引飞机整个的态势感知，让飞机时刻“在线”。
同时，整个飞行中所有数据和信息都是共享的，使用大数据的方法和智能化的技术提升航空运行体系。这个过程中值得一提的就是，我国的北斗系统、包括建立中的星链系统，一定会发挥非常大的作用，让飞机变得更智能高效。
“智造”未来：新技术重塑航空业
那么，未来的航空产业需要什么样的产品？智能技术会给我们带来什么样的改变？新的技术会如何重塑航空业？实际上，智能化的控制可以让飞机变得更加高效，而使用新的发动机、新的材料，都会改变产品和技术。
例如，我们能用编织复合材料技术去做飞机的风扇叶片吗？现有的风扇叶片都是金属的，如果可以用塑料或陶瓷去做，叶片就可以变得更加轻盈和高效。再例如，在发动机的两个叶片之间加上一个齿轮箱，可以让高速旋转的叶片和低速旋转的叶片有一个更好的匹配，这样也可以提升效率。再例如，是否可以把3D打印技术应用到发动机制造上，这样发动机叶片的形状可以做得更符合空气动力学的效率，从而提升发动机技术。所以说，在传统发动机领域，新型技术正在被应用到商用客机中来，从而让它变得更高效、更节能、更环保——无论是从排放上，还是从噪声上。
另外一个技术领域就是，我们正想方设法地去降低飞行阻力。从牛顿力学的角度，飞机在飞行过程中就是四个力的平衡：机翼产生的升力等于或大于重力，飞机就可以离开地面了。另外，产生的推力能够克服阻力。产生推力的时候一方面要降低油耗，来减轻发动机的重量，另一方面是如果能够减小飞机的阻力，也意味着可以去降低飞机对于推力和油耗的需求。
其中一个办法是层流减阻技术。简单地说，就是在设计机翼的时候，让表面变得非常光滑，这样飞机所受到的阻力就会非常低。这里就要用一些主动和被动的方法来提高制造效率，包括去重新设计机翼的形状。例如我们可以在机翼当中加上一些抽吸气的装置，去改变飞机表面的压力分布。
另外一种是仿生技术叫做肋条减阻。简单地说，把飞机表面做得好像鲨鱼皮一样，由一个个像鱼鳞状的小肋条组合而成，这样当气流通过的时候，可以改变湍流对机身的影响，从而有效降低飞机的阻力，提升飞机的气动效率。
还有一种方法，就是用电来降低阻力。我们在飞机蒙皮表面贴了很多小的金属带，这个金属带瞬间可以发出几万伏的高压，但它只是在几纳秒的时间段里去瞬间电离空气。电离空气之后，力把原本要分离的空气重新吸附过来，这种方法也可以提升飞机的升力，同时还可以改变飞机在飞行过程中的噪声水平。
关于未来飞机的设想，还有一个比较大胆的想象：能否用核动力去驱动。它的优势在于：一是清洁，整个过程中没有碳排放；二是能量密度特别高，只需要500克的铀-235就可以环球飞行两圈。但是它最大的挑战是安全性，即能否做到安全飞行。
核动力主要分为两类，一类是核裂变，另外一类是核聚变。核裂变是有一定污染的，但相对清洁的核聚变想要实现，则有很大的难度。因为实际上，核聚变就相当于一个小的人造太阳。它的温度特别高，所以如何实现有效控制非常难。虽然当前核动力飞机的研究并不是很多，但对于未来的20年，甚至于更长的场景下，它一旦成功了，一定会颠覆现有的商用运输机的体系。
未来的飞机到底什么样？我们一定要敢于大胆想象，勇于尝试和探索，去寻找和发现别人可能会忽略的问题，去查找一些意想不到的答案。在这样的过程当中，我们一定会研发出属于我们自己的创新型技术，去创造出一个属于我们自己的蓝天和未来。
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