歐美航空新探索

董聞

一直以來(lái)，作為匯聚全球科技精華的產(chǎn)業(yè)，航空制造業(yè)承載、體現(xiàn)著人類在科技創(chuàng)新、生產(chǎn)組織模式創(chuàng)新等方面的最新成果，引領(lǐng)著世界工業(yè)發(fā)展的潮流和未來(lái)。歐洲和美國(guó)作為航空領(lǐng)域的傳統(tǒng)強(qiáng)者，雖然在一些新技術(shù)的應(yīng)用上有著不同的見(jiàn)解，但有一個(gè)觀點(diǎn)是雙方都高度認(rèn)可的，那就是“創(chuàng)新決定航空業(yè)的未來(lái)”。正因?yàn)榇?，他們推出了一系列關(guān)于航空新技術(shù)研發(fā)的戰(zhàn)略規(guī)劃。

“凈潔天空”計(jì)劃的進(jìn)階

12年前，歐盟高調(diào)宣布啟動(dòng)“凈潔天空”計(jì)劃。該計(jì)劃的目的是通過(guò)改善飛機(jī)的燃油系統(tǒng)等舉措，降低飛機(jī)的噪聲和溫室氣體排放，減少航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，從而建立一個(gè)創(chuàng)新的、具有競(jìng)爭(zhēng)力的歐洲航空運(yùn)輸體系。如今，已有1000多家企業(yè)、高校、研究院所參與了這一計(jì)劃，幾十項(xiàng)驗(yàn)證項(xiàng)目處于5～6級(jí)技術(shù)水平。

根據(jù)歐盟的整體部署，“凈潔天空1”計(jì)劃于2008年～2017年間進(jìn)行，總投資額超過(guò)18億歐元，其中一半資金來(lái)源于歐盟，另一半資金來(lái)自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的合作伙伴。作為一個(gè)龐大的跨國(guó)項(xiàng)目，“凈潔天空”計(jì)劃所遭受的最大非議在于歐盟在選擇合作伙伴時(shí)缺乏開(kāi)放性和公平性，尤其是在選擇一些大型項(xiàng)目的核心合作伙伴時(shí)。

因此，為了提高公平性和透明性，到“凈潔天空2”計(jì)劃時(shí)，來(lái)自歐盟的資金比例從50%降到40%，剩下60%通過(guò)公開(kāi)招標(biāo)的形式，廣招天下英雄。與“凈潔天空1”計(jì)劃不同，在“凈潔天空2”計(jì)劃中，歐盟十分看重小微企業(yè)、高校和科研院所的參與程度，鼓勵(lì)小微企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)以結(jié)盟的形式參與項(xiàng)目。

“凈潔天空”計(jì)劃的主要成果包括：開(kāi)式轉(zhuǎn)子技術(shù)、齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn);智能襟翼、創(chuàng)新型尾翼和電動(dòng)尾槳的驗(yàn)證試驗(yàn);層流機(jī)翼、全電系統(tǒng)和智能旋翼槳葉的飛行試驗(yàn)等。

根據(jù)計(jì)劃，“凈潔天空2”計(jì)劃將持續(xù)到2024年，瞄準(zhǔn)的目標(biāo)是“歐盟2050戰(zhàn)略性長(zhǎng)期愿景”的中期目標(biāo)。到目前為止，總投資額為40億歐元的“凈潔天空2”計(jì)劃已經(jīng)初步達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。根據(jù)歐盟委員會(huì)的評(píng)估，在“凈潔天空2”計(jì)劃框架下開(kāi)發(fā)的技術(shù)將使二氧化碳、氮氧化物和噪聲減少20%～30%，減少的基準(zhǔn)是2014年服役的最先進(jìn)的民用飛機(jī)，到2024年這一階段計(jì)劃結(jié)束時(shí)的目標(biāo)是將技術(shù)成熟度提高至6級(jí)。

“凈潔天空2”計(jì)劃主要由兩個(gè)大型飛機(jī)飛行驗(yàn)證平臺(tái)、兩個(gè)大型系統(tǒng)綜合技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)和其他橫向項(xiàng)目組成。兩個(gè)大型飛機(jī)飛行驗(yàn)證平臺(tái)由空客公司主導(dǎo)，支線飛機(jī)項(xiàng)目由阿萊尼亞·馬基公司主導(dǎo)，高速旋翼機(jī)項(xiàng)目由阿古斯特韋斯特蘭公司和空客直升機(jī)公司共同主導(dǎo)。

在“凈潔天空2”計(jì)劃中，空客投入大量資源用于研發(fā)層流機(jī)翼和開(kāi)式轉(zhuǎn)子技術(shù)，雖然從短期來(lái)看，空客還不能從這兩項(xiàng)新技術(shù)中獲益，但計(jì)劃在這些新技術(shù)的基礎(chǔ)上于2030年左右推出全新概念飛機(jī)。

“凈潔天空2”計(jì)劃的另一個(gè)重要內(nèi)容是對(duì)下一代中短程客機(jī)可能采用的候選技術(shù)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，將技術(shù)成熟度提高至6級(jí)。其中，最引人關(guān)注的是與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的新技術(shù)，包括混合動(dòng)力推進(jìn)概念、激進(jìn)的甚高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)（VHBR）研制驗(yàn)證。

“在凈潔天空2”計(jì)劃中，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)項(xiàng)目由羅羅和賽峰攜手推進(jìn)，致力于將新技術(shù)應(yīng)用于下一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)上。該項(xiàng)目包括2個(gè)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目和4個(gè)地面試驗(yàn)項(xiàng)目。由羅羅主導(dǎo)的用于遠(yuǎn)程客機(jī)的甚高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試飛行已于2019年開(kāi)始。

賽峰的子公司斯奈克瑪在“凈潔天空”計(jì)劃中，針對(duì)未來(lái)中短程商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目進(jìn)行了兩項(xiàng)研究：一是開(kāi)式轉(zhuǎn)子技術(shù)的研究，二是研發(fā)一款涵道比大于15‥1的超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)。這一驗(yàn)證機(jī)將在2022年開(kāi)始地面試驗(yàn)。

盡管距離“凈潔天空2”計(jì)劃結(jié)束還有幾年，但是項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)已經(jīng)計(jì)劃啟動(dòng)“凈潔天空3”計(jì)劃了。如果計(jì)劃順利獲批，“凈潔天空3”計(jì)劃將采用與以往完全不同的逆向規(guī)劃的方法進(jìn)行編制，最早將從2021年1月開(kāi)始啟動(dòng)。與之前不同，在“凈潔天空3”計(jì)劃中，歐洲航空安全局（EASA）將參與其中，這將有利于未來(lái)新技術(shù)的投入應(yīng)用。

在“凈潔天空3”計(jì)劃中，一個(gè)亟待解決的難題是如何保證項(xiàng)目的順利實(shí)施，以避免再次出現(xiàn)無(wú)疾而終的情況。2017年，賽峰進(jìn)行了一次全尺寸的反向旋轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目（CROR）地面試驗(yàn)，但是空客在同年宣布，不再給賽峰提供飛行試驗(yàn)平臺(tái)。盡管空客并沒(méi)有對(duì)CROR的技術(shù)設(shè)計(jì)理念提出太多的非議，但顯然空客并不看好這一技術(shù)在近期、中期的應(yīng)用前景。因此，為了避免這種情況再次發(fā)生，管理方正在考慮要求主制造商作出承諾，雙方探索一種“可見(jiàn)的、強(qiáng)有力的聯(lián)系”，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。

此外，“凈潔天空3”計(jì)劃的另一個(gè)導(dǎo)向性變化是那些低技術(shù)成熟度的概念也會(huì)得到支持。那些被認(rèn)為不夠成熟、無(wú)法進(jìn)行全面驗(yàn)證但有發(fā)展前景的技術(shù)將作為候選的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，一旦達(dá)到所需的技術(shù)成熟度，這些技術(shù)就可以轉(zhuǎn)移到演示項(xiàng)目。相反，如果一些技術(shù)在演示驗(yàn)證階段表現(xiàn)不佳，可能會(huì)被返回基礎(chǔ)研究項(xiàng)目池進(jìn)行更多輪迭代研究。

人工智能爭(zhēng)先

2020年2月，歐盟在布魯塞爾發(fā)布了《人工智能白皮書(shū)》。這份長(zhǎng)達(dá)26頁(yè)的白皮書(shū)不僅包含了不少鼓勵(lì)性的政策措施，更強(qiáng)調(diào)歐洲需要大幅提高人工智能研究和創(chuàng)新領(lǐng)域的投資水平，明確未來(lái)10年內(nèi)，歐盟每年用于人工智能技術(shù)的研發(fā)資金不少于200億歐元。

目前，全球人工智能技術(shù)如雨后春筍般爆發(fā)，與此相關(guān)的各種理念、研究、技術(shù)、應(yīng)用層出不窮。歐盟這份白皮書(shū)的發(fā)布盡管相比其他國(guó)家看似慢了半拍，但卻有著更深層次的考量。

在這份白皮書(shū)中，歐盟特別強(qiáng)調(diào)了“數(shù)據(jù)”這一人工智能技術(shù)的核心。白皮書(shū)指出，沒(méi)有數(shù)據(jù)，人工智能和其他數(shù)字技術(shù)的發(fā)展都將是空中樓閣。因此，歐盟的人工智能戰(zhàn)略必須重視數(shù)據(jù)問(wèn)題，不僅要有效地采集數(shù)據(jù)，有分類地整理數(shù)據(jù)，還要提供足夠的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間，讓所有需要數(shù)據(jù)的部門、企業(yè)都能隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

針對(duì)人工智能在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，歐盟認(rèn)為，該技術(shù)將有助于應(yīng)對(duì)航空運(yùn)輸量的增加、日益復(fù)雜的航空系統(tǒng)等對(duì)業(yè)界帶來(lái)的挑戰(zhàn)。例如，在飛機(jī)生產(chǎn)和售后維護(hù)方面，包括數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、預(yù)測(cè)性維修等技術(shù)的發(fā)展都離不開(kāi)人工智能技術(shù)的支撐。

在空中交通管制（ATC）方面，歐盟認(rèn)為，人工智能技術(shù)將大有可為。空中交通管制通信是所有飛行的保障，但是現(xiàn)在許多飛行員與塔臺(tái)的對(duì)話是通過(guò)各種口音的英語(yǔ)進(jìn)行的，這不僅增加了飛行員的工作量，也有造成誤聽(tīng)的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，空客已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)名為AI Gym的公開(kāi)競(jìng)賽項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目標(biāo)是完整轉(zhuǎn)譯ATC音頻，并從音頻中提取飛機(jī)呼號(hào)以便進(jìn)行會(huì)話跟蹤和警報(bào)。

此外，歐盟對(duì)人工智能技術(shù)可以提高航空公司運(yùn)營(yíng)效率的觀點(diǎn)予以了充分肯定。目前，歐洲很多航空公司都在對(duì)后端數(shù)據(jù)，如維護(hù)日志、員工工作日志、飛行數(shù)據(jù)等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，以提高運(yùn)營(yíng)效率。空客早前還與Palantir技術(shù)公司合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為Skywise的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，該平臺(tái)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)幫助航空公司進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修，從而減少飛機(jī)停場(chǎng)時(shí)間，提高運(yùn)營(yíng)效率。

然而，就如上文所提到的，考慮到人工智能技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)的依賴性極強(qiáng)，所以在白皮書(shū)中歐盟特意強(qiáng)調(diào)歐洲在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定中要處于“領(lǐng)先地位”。在白皮書(shū)中，歐盟用了不少筆墨談及在人工智能領(lǐng)域的國(guó)際合作，強(qiáng)調(diào)歐盟不僅要作為技術(shù)法規(guī)方面的全球主要參與者，更要成為規(guī)則的制定者。歐盟希望通過(guò)路線圖引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，強(qiáng)調(diào)認(rèn)證工作與技術(shù)發(fā)展必須同步，確保包括航空領(lǐng)域在內(nèi)的人工智能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)，促進(jìn)歐洲的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)先，從而構(gòu)建歐洲民用航空的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

NASA的“三步走”

同樣是在今年2月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)布了《2019戰(zhàn)略實(shí)施規(guī)劃》，對(duì)未來(lái)25年NASA在航空領(lǐng)域的重點(diǎn)研究工作進(jìn)行了詳盡的描述，展示了美國(guó)民用航空業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。NASA將戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施效果按近期（2015～2025）、中期（2025～2035）、遠(yuǎn)期（2035后）三個(gè)階段進(jìn)行了描述，其中有四方面的內(nèi)容尤為值得關(guān)注。

第一，NASA強(qiáng)調(diào)要進(jìn)一步通過(guò)利用人工智能技術(shù)提高民航業(yè)安全運(yùn)營(yíng)水平。其中，2015～2025年，提升常規(guī)飛機(jī)跨所有飛行運(yùn)行階段的運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)新飛行器的初步進(jìn)入;2025～2035年，逐步增加自主和協(xié)作空中交通管理，包括將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)完全融入國(guó)家空域系統(tǒng);2035年后實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自主航跡服務(wù)和國(guó)家空域系統(tǒng)變革。

第二，推進(jìn)民用超聲速飛機(jī)的創(chuàng)新。2015～2025年，形成超聲速民用飛機(jī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展包括確定聲爆等級(jí)、發(fā)展低聲爆設(shè)計(jì)工具與模型等工作;2025～2035年，引入經(jīng)濟(jì)可承受的、低聲爆、低噪聲、低排放超聲速運(yùn)輸機(jī)，著重研究新一代超聲速運(yùn)輸機(jī)的降噪、降排放等關(guān)鍵技術(shù);2035年之后，隨著更多超聲速飛機(jī)投入應(yīng)用，重點(diǎn)圍繞空中交通管理技術(shù)、高效飛行技術(shù)等開(kāi)展研究。

第三，繼續(xù)推進(jìn)超高效亞聲速運(yùn)輸機(jī)研究。2015～2025年間，將通過(guò)先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，不斷提高在役飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)效率;2025～2035年，開(kāi)展顛覆性創(chuàng)新概念、技術(shù)和方法的研究，開(kāi)展大規(guī)模驗(yàn)證促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)移，從而使飛機(jī)的噪聲和燃油效率獲得明顯改善，同時(shí)進(jìn)一步加大電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用;2035年后，將通過(guò)革命性的材料和飛機(jī)構(gòu)型的改進(jìn)，繼續(xù)提高飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)效率，目標(biāo)是使民航機(jī)隊(duì)的碳排放量較2005年降低50%。

第四，加強(qiáng)垂直起降航空器的研究和應(yīng)用。在NASA的規(guī)劃中，2015～2025年，將主要圍繞安全性、環(huán)保性展開(kāi)研究，同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行應(yīng)用探索;2025～2035年，提升垂直起降航空器的技術(shù)成熟度，尤其是更高效的動(dòng)力系統(tǒng)研究工作，進(jìn)一步降低噪聲和碳排放等對(duì)環(huán)境的影響，擴(kuò)大垂直起降飛機(jī)的應(yīng)用范圍，同時(shí)制定噪聲、安全等方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);2035年后，各種尺寸的垂直起降飛行器將廣泛用于運(yùn)輸和城市服務(wù)。