未来民用飞机的发展与展望

未来民用飞机的发展与展望民用飞机是一种面向全球竞争的商品，是现代科学技术的高度集成。民用飞机科学技术是一个国家科学技术水平和工业发展水平的直接体现，也是一个国家参与全球经济合作加速进入世界科技大国的重要力量。进入21世纪以来，随着我国经济技术的快速发展，党和国家充分认清发展民用飞机对于转变经济增长方式、带动科学技术发展、增强国家综合实力和国际竞争力的重大意义，把发展大型飞机列入重要议事日程，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》把发展大型飞机作十六个重大专项之一，将大型民用飞机纳入国家战略新兴产业发展重点之一。从市场发展前景看来，伴随着航空技术的进步和运输组织管理及服务水平的提高，特别是大型民用运输机出现后，世界民航业一直处于快速增长状态。到目前，全球形成了以北美、欧洲和亚太地区为主的三大航空市场，共占全球市场份额接近90％。从上个世纪80年代以来，受经济全球化、发达国家放松航空管制以及向后工业化转变等一系列因素的影响驱动，世界民航业呈现出一些值得关注的重要特征和趋势，使得发展格局和利益获取已经和正在发生着深刻变化。近十多年来，高新科技的研制和应用正在并将进一步提升民用航空的安全水平，促进民用航空持续快速发展。一是发展了超大型飞机制造技术。2008年已投入运营的载客量最大的空中客车A380飞机，合理采用了碳纤维等新材料和新型发动机等高新技术，飞机的安全性和舒适度得到大幅提高。波音公司正在制造的7E7将第一次实现中型飞机尺寸与大型飞机航程的结合，具有较高燃油效率，出色的环保性能。二是在空中交通管理领域广泛应用现代通信、卫星、自动化和计算机技术，展开了以星基导航为主导的空管技术革命。三是兴起了绿色化的航空运输革命。从改善飞机空气动力、提高发动机燃油性能、研制新一代聚合物和复合材料等方面降低航空运输对环境的污染。就我国民用飞机发展看来按照通常定义，飞机主要可分为飞机机体、发动机及机载设备三大部分。第一部分：机体机体包括机身、机翼和尾翼等，是飞机结构的主要构成机身：飞机上用来装载人员、货物、武器和机载设备的部件。它将机翼、尾翼、起落架等部件连成一个整体。一般可分为前机身、中机身和后机身。机翼：安装在机身上。其最主要作用是产生升力，同时也可以在机翼内布臵弹药仓和油箱，在飞行中可以收藏起落架。机翼与机身连接处受力大、变形大，因此对于结构和材料要求较高。尾翼：安装在飞机后部的起稳定和操纵作用的装臵。尾翼一般分为垂直尾翼和水平尾翼。生产难度相当其它部分较低。第二部分：发动机发动机将成为产业升级突破口发动机是飞机的心脏部分，也将成为中国航空工业产业升级的突破口。为实现国产系列航空发动机逐步实现进口替代，中国商飞积极寻找国内的发动机成套及相关设备供应商参与大飞机项目的开发，中航商飞已确定国内自主开发的SF-A和SF-B两款发动机作为对现在大飞机项目使用的LEAP-X1C发动机的替代产品，预计这两款发动机将于2016年和2020年取得适航证书。参与这两款发动机设计和制造的上市企业如航空动力、成发科技、中航动控和中航重机等将直接受益中国发动机国产化进程。第三部分机载设备一般是指完成飞行任务、作战任务以及为保证飞行员与成员安全、舒适而安臵在飞机上的、有独立功能装臵的总称。一般将机载设备分为航电系统和机电系统。航电系统主要包括飞行控制、飞行管理、座舱显示、导航、数据与语音通讯、监视与告警、机内通话、客舱娱乐等主要功能系统。机电系统主要包括电力系统、空气管理系统、燃油系统、液压系统、救生系统、辅助动力装臵、机轮刹车系统、照明和生活设施等功能系统。合作开发，逐步升级机载设备包括机电设备和航电设备，其中航电设备国内民用航空领域基本处于空白，机电设备国内虽然具有一定的技术储备，但与世界先进生厂商相比还有一定的差距。中国将采取国际合作模式，共同出资、共同开发，用市场换技术，并在合作中不断汲取国外先进技术和理念，逐步实现国内机载设备国产化程度，促进航空工业逐步升级。机载统领域是将直接在国际合作和国内市场开拓中收益。在飞机设计与制造方面，当前民用飞机的发展有三个趋势：1气动布局设计仿生化程度提高从世界上第一架喷气式民航客机“彗星号”到现在的波音787、空客a380、空客a350xwb、空客a320neo。比较它们的区别以后，我们不难发现，它们的气动布局都差不多，都是两个后略机翼一个垂直尾翼，两个水平尾翼。可仔细比较之下，我们也不难发现，它们的气动设计有着本质的不同。比如波音787，它的机翼设计延续波音737NG(NextGeneration)/777的超临界机翼设计。超临界翼的好处在于在高次音速时有较好的气动力效率，可以减少燃料的消耗并增加飞机的性能，如飞行距离等。2机身材料科技含量提高以空客A380为例子。A380是空中客车第一次大范围在大型民用运输机上应用复合材料的飞机。在空中客车公司，A310是第一次在襟翼盒上应用复合材料的飞机；A320是投产的第一架全复合材料尾翼飞机；A340飞机的机翼的13%重量是复合材料；而A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁。而A380飞机是空中客车第一次将碳纤维增强塑料（CFRP）应用于中央翼盒的飞机，这种结构与铝合金相比减重1.5吨。A380上的中央翼盒重8.8吨，其中5.3吨是复合材料。面临的主要问题是翼根的连接和零件的厚度，复合材料零件的厚度能够达到45mm。但是有生产A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁（16m长，23mm厚，每根梁承载450吨）的经验。另外在A340-600飞机上还有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整体复合材料设计经验。A380飞机的CFRP水平尾翼与A310飞机的悬壁式机翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自动铺带技术。此外，上地板梁和后压力隔框也采用了CFRP材料。这些零件的第一个采用了挤压成形工艺，第二个试用了树脂模浸渍工艺和自动纤维铺放技术，最后由于形状的原因，最后选择了树脂模浸渍工艺。在后机身非承压部位由于是双曲度壁板，所以采用了自动化纤维铺放技术生产蒙皮壁板，高载荷承力框则采用高强铝合金加工，而承载较小的框则采用RTM制造工艺。A380机翼固定前缘为热塑性复合材料，能够减重并节约成本。这项技术已经在A340-600飞机上验证，改善了损伤容限和可检测性，进一步的应用还在研究中，例如应用于机身的次承力支架系统。机翼后缘移动面采用了CFRP，并在难以用一般技术获得的成形零件上采用了RTM技术，如移动面的铰链和翼肋零件。内侧襟翼与增升装置容易受到外来物的损伤，但考虑到减重问题，金属结构设计在这方面并不优于复合材料设计。因此，在A380飞机的襟翼跟踪梁的设计中采用了金属与复合材料的混合结构，在横向壁板和次承力翼肋处用CFRP代替了铝合金。另外，空中客车公司还首次将CFRP翼肋用于翼盒中代替铝合金。最终在襟翼的中外翼部分、襟翼的整流罩以及扰流板和副翼上也采用了CFRP材料。在夹层结构方面，主要的创新是采用轻型蜂窝代替了原来使用的芳纶纸蜂窝。在A380上的典型应用包括腹部整流罩（超过300平方米）及地面这类大尺寸结构件。用整体设计概念代替夹层结构的发展趋势，有可能在A380的机身和机翼起落架舱门上得到应用。但是复合材料技术的应用必须在合理的成本下提供高的性能。因此，在A380飞机上采用了自动丝束铺放、自动铺带、树脂膜浸渍以及树脂转移成型这些低成本生产技术，不仅能够生产大型复合材料零件，而且降低了装配成本。3能效提高在温室效应愈发严重的今天，环保是各行各业发展必须要解决的问题，民用飞行器也不例外。空中客车A380采用了更多的复合材料，改进了气动性能，使用新一代的发动机、先进的机翼、起落架。减轻了飞机的重量，减少了油耗和排放，座公里油耗及二氧化碳排放更低。降低了营运成本，A380飞机机舱内的环境更接近自然。客机起飞时的噪声可达当前噪声控制标准(ICAO）规定的标准要低得多。A380是首架每乘客(座）/百公里油耗不到3公升的远程飞机（这一比例相当于一辆经济型家用汽车的油耗）。油耗低了，运营成本也低了。未来世界民用飞机市场需求量预测1、2011年波音和空客销售额欧洲飞机制造商空中客车（空客）公司，2011年共获民用飞机订单1419架，共交付民用飞机534架，在订单和交付量方面均创历史新高2011年，空客公司新获订单总价值超过1400亿美元，其中包括A380飞机19架、A330和A350XWB系列飞机52架，320系列飞机1348架｡2011年，空客共交付A320系列单通道飞机421架，创历史新高；A330飞机87架，与2010年持平；A380飞机26架，比2010年多8架｡此外，空客2011年共交付29架军用飞机｡波音公司2011年共交付了477架商用飞机，该公司2011年总订单量为921架飞机（部分订单取消，剩下805份订单）。2、（1）平均客座率预测随着世界航空运输业的复苏，2010年全球客运飞机行业平均客座达到了78.5%的新高，比2007年的上个历史记录高2个百分点。从总体发展趋势来看，成本压力驱动航空公司采取各种措施提高客座率，从而保证收益水平，未来20年全球航空运输客座率将继续增长，预计将接近80%。（2）现有飞机退役预测根据对飞机机龄、满足飞机噪音水平限制以及燃油经济性等各方面情况的综合分析，预计2011~2030年全球将有超过1.1万架大中型喷气客机退役；另外，还将有3700架支线飞机从航线运营中退出。预计未来20年间，全球共需要约2.85万架干线飞机和6700架支线飞机。（3）大中型客机需求量预测。预计2011~2030年间世界大中型喷气飞机（大于100座）需求量将达28500架，到2030年底，全世界将有近3万架的大中型喷气客机在航线上运营。预计未来20年间共需要110座级飞机约2800架，150座级飞机约14000架。200座级包括单通道和双通道两类机型，主要用于国内或者地区内的大客流量中短程干线航线。在单通道和双通道飞机市场中，空客和波音均有新型的200座级机型，这些机型的推出也反映了强劲的市场需求和良好的发展前景。预计未来20年间共需要200座级飞机7220架。300座级飞机在一些需要较高频率的长航线或超长航线上非常适用也比较经济。中型宽体客机的主要市场在亚洲，近年来在跨大西洋航线上的宽体客机也有所增加。该座级也将有A350XWB-900和A350XWB-1000等新成员加入。预计未来20年共需要该座级飞机约3600架。400座级飞机预计未来20年间共需要约880架。未来20年单通道客机仍将是需求量最大的机型，亚太、北美和欧洲将是其主要用户，需求量分别占全球单通道飞机总需求量的约三分之一和四分之一（北美和欧洲相近）；北美和拉美地区飞机需求中85%左右是单通道飞机，欧洲地区飞机需求中单通道飞机也接近80%。双通道客机最大的用户将是亚太地区，其需求量占全球双通道飞机需求量的40%，中东和北美地区分别占约15%。图12030年世界大中型民用客机需求量预测（4）支线飞机需求量预测。受燃油价格高位震荡的影响，支线飞机需求不断向较大座级转移，涡桨飞机市场需求也明显回升。预计2011~2030年全球将有约6700架支线飞机的需求，其中喷气支线飞机4100架，涡桨支线飞机2600架。其中喷气支线飞机在支线航空运输中发挥着重要作用。由于二手飞机挤占了部分市场，所以未来10年对新飞机的需求将很少。预计未来20年30~60座喷气支线客机的需求量约300架。61~99座喷气支线客机可以为航空公司提供优化运力的选择，可以用于运量大的支线航线以及替换客流量不足航线上的窄体飞机。预计61~99座喷气支线客机未来20年的需求量约3800架。图22030年全球各类型支线飞机需求分布涡桨飞机的经济性优势在短航线得到凸显。2004年以后涡桨飞机的需求开始上升，在2007年达到217架的订货量新高。在经过了世界金融危机之后的2011年，涡桨飞机订货回升到103架，其中70座飞机的订货占95%。预计未来20年全球涡桨飞机的需求量为2600架。其中，30~60