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中國西藏網(wǎng)微信未來航空，打開想象空間
作者：樊會濤（中國工程院院士、中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司研究員）
未來航空，會是什么樣？從材料到發(fā)動機(jī)，從通信到能源動力，人們在猜測，顛覆性的改變會從哪里發(fā)生？一般來說，材料制造是航空發(fā)展的基礎(chǔ)，能源動力對飛行器有決定性影響，信息電子將全方位變革傳統(tǒng)航空形態(tài)……
1.飛行器發(fā)展瞄準(zhǔn)高能化、智能化
“雙碳”目標(biāo)要求民航向綠色低碳方向發(fā)展，民用航空將更環(huán)保、更安全、更經(jīng)濟(jì)。航空科技發(fā)展的總趨勢是高能化與智能化復(fù)合發(fā)展，高能為“體”，智能為“魂”。高能化是對能量、物質(zhì)的更多掌控，決定了航空裝備能達(dá)到的物理邊界，對飛行高度、航程、速度、機(jī)動性等性能指標(biāo)有直接影響。智能化是對信息域與認(rèn)知域掌控，決定了航空裝備運用的能力，可以實現(xiàn)更高的效率、更準(zhǔn)的決策。
航空高能化主要包括高動能、高供能、高效用能等方面。
高動能，主要對應(yīng)航空平臺的技術(shù)革新方向。高速飛行、超機(jī)動性、長時間滯空等都是其發(fā)展的核心訴求，速度從亞聲速、超聲速到高超聲速，高度從低空、中空到高空、臨近空間，留空時間從數(shù)小時、幾十小時至數(shù)天等。高動能在航空領(lǐng)域可發(fā)揮重要作用，如低聲爆超聲速民機(jī)的應(yīng)用等。
高供能，主要對應(yīng)航空動力的技術(shù)革新方向。大推重比、高燃油效率、高功率提取及新能源體系正成為航空動力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢，包括進(jìn)排氣的主動流動控制、高壓比壓氣系統(tǒng)、新概念動力系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)都是目前航空動力研究的熱點方向。此外，電動飛機(jī)和氫動力技術(shù)也將成為低碳化的前沿領(lǐng)域，為未來民航業(yè)創(chuàng)造更大的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)潛力。
高效用能，主要對應(yīng)航空機(jī)電的技術(shù)革新方向。其中，多電/全電技術(shù)、全機(jī)能量優(yōu)化、變革性能量傳輸與存儲等將在航空電力電氣系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，從而大幅提高飛行器的性能水平。
航空智能化的核心在于使飛行器具備自主感知、自主決策、自主執(zhí)行、自主進(jìn)化能力。
自主感知使飛行器通過各類傳感器和數(shù)據(jù)融合完成復(fù)雜環(huán)境和目標(biāo)的分類、識別，生成能用于決策的信息；自主決策可充分發(fā)揮人工智能在信息處理速度和處理量方面的優(yōu)勢，綜合利用感知信息和決策算法，在各種復(fù)雜場景中快速作出利益最大化的決策，實現(xiàn)“機(jī)主人輔”甚至“完全自主”；自主執(zhí)行能使人類從下達(dá)操作指令轉(zhuǎn)變到下達(dá)任務(wù)指令，機(jī)器自主進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，并在執(zhí)行過程中實時調(diào)整，最終替代人在任務(wù)執(zhí)行中的作用；基于“自主遺傳進(jìn)化”算法，自主進(jìn)化可使智能飛行器具有生命體特征，認(rèn)知決策水平可通過不斷學(xué)習(xí)而實時進(jìn)化，自主提升能力，以應(yīng)對全新環(huán)境。
應(yīng)該說，智能化將大幅提高飛行器在不同環(huán)境中的感知、決策、執(zhí)行、學(xué)習(xí)能力，將為未來航空打開更大的想象空間。
2.超材料、智能結(jié)構(gòu)或?qū)眍嵏残愿淖?/strong>
航空領(lǐng)域素有“一代材料一代裝備”的說法，可見材料屬性對飛機(jī)性能至關(guān)重要。另外，航空工業(yè)本質(zhì)上是高端裝備制造業(yè)，制造技術(shù)對于實現(xiàn)穩(wěn)定的大規(guī)模批產(chǎn)舉足輕重。隨著技術(shù)的發(fā)展，航空工業(yè)正邁入材料、制造一體化時代，也使材料制造領(lǐng)域成為涌現(xiàn)顛覆性技術(shù)的重要來源。
超材料是一種通過人為設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)超常物理性能的人造材料，其基本結(jié)構(gòu)單元尺度小于它作用的波長，從而可控制光波、無線電波和機(jī)械波傳播，典型超材料包括左手材料、光子晶體及聲子晶體等。
左手材料是一種可調(diào)控電磁波的電磁超材料，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率皆為負(fù)值，具有負(fù)折射、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射和亞波長衍射等特性；光子晶體是一種可控制光子流動的光學(xué)超材料，用于光纖、微帶天線及濾波器等，具有低損耗、大帶寬、高增益等性能；聲子晶體是一種可調(diào)控彈性波傳播的機(jī)械/聲學(xué)超材料，其帶隙可抑制彈性波在一定頻率范圍內(nèi)不能傳播，可實現(xiàn)減震和降噪。
超材料技術(shù)實現(xiàn)了功能到結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計，對航空領(lǐng)域可能產(chǎn)生諸多潛在的顛覆性影響：
——構(gòu)造能實現(xiàn)完美隱身的超材料“隱身斗篷”和超材料吸波體，大幅提高飛行器的隱身性能；
——制造小型射頻天線和超分辨率成像系統(tǒng)，有效強(qiáng)化探測跟蹤能力；
——將平面?zhèn)鬏斕炀€與超材料耦合設(shè)計，可提高天線輻射效率并縮小尺寸，推動航空裝備微波射頻組件的小型化、集成化發(fā)展。
智能結(jié)構(gòu)技術(shù)將傳感器、驅(qū)動器和控制元件集成到基體材料中，實現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)和自修復(fù)等功能，是未來先進(jìn)飛行器的發(fā)展方向之一，主要研究方向為智能蒙皮和自適應(yīng)變體結(jié)構(gòu)等。
智能蒙皮將幾千個尺寸僅有米粒大小具有感知、處理和通信能力的微型計算系統(tǒng)植入材料內(nèi)部，協(xié)同感知周邊環(huán)境，從而調(diào)控過熱和超應(yīng)變區(qū)域，或調(diào)節(jié)內(nèi)部電磁參量，降低電磁散射信號實現(xiàn)隱身功能。智能蒙皮將功能組件與結(jié)構(gòu)相集成，具備無線電探測、能量存儲等功能，在減輕重量、節(jié)省空間、提高飛行器隱身性能等方面具有很大潛力。
自適應(yīng)變體結(jié)構(gòu)通過感知飛行器飛行環(huán)境和姿態(tài)變化，經(jīng)處理機(jī)運算決策后閉環(huán)控制飛行器結(jié)構(gòu)局部或整體連續(xù)光滑變形，使飛行器保持最優(yōu)性能和氣動效率，實時適應(yīng)多種飛行環(huán)境和任務(wù)需求。
總的來說，智能結(jié)構(gòu)對航空領(lǐng)域可能產(chǎn)生三個潛在顛覆性影響：第一、機(jī)翼自適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形可進(jìn)一步減阻降噪，提高飛行經(jīng)濟(jì)性；第二、采用智能結(jié)構(gòu)的高速飛行器可感知高溫區(qū)域并進(jìn)行外形自適應(yīng)和材料自修復(fù)，有效解決“熱障”問題，降低熱防護(hù)設(shè)計難度；第三、采用智能隱身材料可進(jìn)一步提高隱身性能，提升飛行器生存能力。
3.發(fā)動機(jī)和燃料的變革，或?qū)⑸羁谈淖兾磥砗娇?/strong>
發(fā)動機(jī)和燃料可看作飛機(jī)的心臟和血液，該領(lǐng)域的顛覆性發(fā)展將深刻變革未來航空形態(tài)。
可持續(xù)航空燃料（SAF）的應(yīng)用被認(rèn)為是最具潛力的技術(shù)。SAF是指可再生、使用過程中對環(huán)境影響較小的航空燃料，具有碳排放少、降低對石油等不可再生能源的依賴，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等優(yōu)點，主要分為生物質(zhì)燃料、合成燃料、電能和氫燃料四種。限于生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)規(guī)模小、存儲運輸困難等問題，目前可持續(xù)航空燃料尚未得到廣泛應(yīng)用。
可持續(xù)航空燃料技術(shù)對助力碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)、增強(qiáng)能源安全具有不可替代的作用，可實現(xiàn)航空動力系統(tǒng)的重大變革。未來民用航空動力系統(tǒng)通過使用可持續(xù)燃料作為渦輪發(fā)動機(jī)燃料，或直接使用燃料電池為飛機(jī)提供動力，將大幅降低航空業(yè)碳排放。
自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機(jī)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)涵道比和總壓比等熱力循環(huán)參數(shù)，在高推力和高燃油效率模式間自動轉(zhuǎn)換的下一代渦扇發(fā)動機(jī)。自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能佳、工作范圍廣，它可滿足多種性能需求，使未來飛行器呈現(xiàn)多任務(wù)和多用途發(fā)展趨勢。同時，可在多種飛行器上共享發(fā)動機(jī)技術(shù)，應(yīng)用基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)衍生出系列發(fā)動機(jī)，擴(kuò)大發(fā)動機(jī)適用范圍并降低研發(fā)成本。
旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)（RDE）以爆震形式增壓燃燒。爆震波在傳播過程中實現(xiàn)了激波和燃燒波的耦合，燃燒速度快，波后壓力、密度顯著提高。這種發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、比沖和效率高、工作域?qū)挼葍?yōu)點。有研究認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)相比現(xiàn)役渦輪發(fā)動機(jī)熱效率理論上可提高15%。除自身單獨作為動力裝置外，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)還可與渦輪發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)組合，提升原動力裝置性能。
旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)已成為未來航空動力領(lǐng)域最具潛力的變革者之一，應(yīng)用前景廣闊，對未來航空領(lǐng)域而言，在前期可作為動力系統(tǒng)，推動無人飛行器向小型化、遠(yuǎn)航程方向發(fā)展；在后期可單獨或作為組合動力系統(tǒng)應(yīng)用在中大型飛行器上，提高推重比、降低油耗、提高經(jīng)濟(jì)可承受性。
4.量子信息、5G、大數(shù)據(jù)，賦能航空技術(shù)
近年來，隨著人工智能技術(shù)研究進(jìn)入第三波浪潮，量子信息、5G、大數(shù)據(jù)等取得突破，使該領(lǐng)域迅速成為炙手可熱的研究方向，也成為重要的航空賦能技術(shù)來源地。
腦機(jī)交互，也稱腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)在航空領(lǐng)域存在巨大應(yīng)用價值，世界各國都在積極研究。2013年美國明尼蘇達(dá)大學(xué)實現(xiàn)人類首次用腦電波控制四軸遙控飛機(jī)；2014年5月德國“腦飛行”計劃實現(xiàn)飛行員用大腦精準(zhǔn)操控飛行。
腦機(jī)接口技術(shù)能創(chuàng)造出新型的飛行器控制方式?；蛟S，未來航空領(lǐng)域能實現(xiàn)由大腦直接控制飛行器，減少或完全替代肢體操作，極大改變傳統(tǒng)人機(jī)界面?；蛟S，未來航空領(lǐng)域能借鑒人腦構(gòu)造和運行，開發(fā)全新信息處理系統(tǒng)，賦予航電系統(tǒng)新的功能和形態(tài)。或許，未來能與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于飛行模擬訓(xùn)練中，能有效降低訓(xùn)練成本并提高訓(xùn)練的安全性。
近些年，量子信息技術(shù)在理論和實驗上都取得長足進(jìn)步。在理論上，掌握了量子錯誤修正碼等更先進(jìn)的理論，極大提高了量子計算的容錯率；在實驗上，各國投入大量資源進(jìn)行研發(fā)。量子信息技術(shù)將全方位變革傳統(tǒng)航空電子形態(tài)。例如，量子計算超常規(guī)算力不但可實現(xiàn)飛機(jī)研發(fā)優(yōu)化，還可加速人工智能算法訓(xùn)練與執(zhí)行，提升體系指揮決策效能；再比如，量子通信可提供高速保密通信保障，基于量子陀螺的慣性導(dǎo)航能大幅提高航空飛行器的自主導(dǎo)航精度，量子計量可為航空計量體系的建立提供重要支撐。
多學(xué)科交叉領(lǐng)域是涌現(xiàn)顛覆性技術(shù)的重要源泉，而跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新同樣也是航空領(lǐng)域的特色，這使一批航空顛覆性技術(shù)體現(xiàn)出了交叉融合創(chuàng)新的特點。
我國航空工業(yè)經(jīng)過幾十年發(fā)展，取得了輝煌成就。進(jìn)入新時代，顛覆性技術(shù)的探索研究和產(chǎn)業(yè)化是實現(xiàn)航空強(qiáng)國的重要依托，同時也是一項極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要以戰(zhàn)略眼光謀劃布局，以戰(zhàn)略定力推動發(fā)展。加強(qiáng)原始創(chuàng)新是新時代實現(xiàn)航空領(lǐng)域高水平發(fā)展的必由之路，以顛覆性技術(shù)為牽引是新時代航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)換道超車的重要抓手，需要主動開展航空顛覆性技術(shù)的掃描、識別與預(yù)測，牢牢把握未來航空發(fā)展脈搏。
《光明日報》（2024年03月21日 16版）
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