翼身融合体飞机能否动摇传统飞机市场地位

姜廷昀

美国国防部支持的全尺寸翼身融合原型机研制项目

　　2022年7月，美国防部国防创新单元DIU发布招标书，征求翼身融合体布局的大型飞机全尺寸原型机设计方案，要求2027年前进行试飞，目标是期望企业提交的翼身融合体布局方案与传统布局的波音767和空客330飞机相比，气动效率提高30%。

　　2023年4月，创立于2020年的美国捷零JetZero公司，推出了他们Z-5型翼身融合体飞机方案和计划，宣称Z-5方案气动效率比波音767或空客330能够提高50%，可以满足未来中型飞机（NMA）民航市场需求，并可以改型发展成货机或美国空军需要的空中加油机等。

　　2023年8月16日，在“空军&太空部队协会”举办的“空天战士在行动”论坛活动上，美国空军部长弗兰克·肯德尔宣布美国初创公司捷零公司获得翼身融合体（BWB）原型机研制项目。项目合同经费2.35亿美元，计划在2027年制造并试飞一架全尺寸技术验证机，暂定名称是XBW-1。该项目启动标志着翼身融合体飞机经过30多年的概念研究，终于开始了全尺寸原型机的工程研制，表明结构设计、材料技术、制造和其他领域的技术进步使翼身融合体飞机的实现成为可能。

　　美国国防部创新单元将在未来４年将为翼身融合体原型机项目提供2.35亿美元资金支持（捷零公司提交的方案建议书是2.45亿美元），其中2024年提供4000万美元。对比2023年1月美国航空航天局启动的由MD-90客机改装的X-66项目总投资7.25亿美元，全新制造XBW-1原型机研制费用不会少于10亿美元，军方的投资只是项目的启动资金，大部门研制经费要依靠社会融资。捷零公司没有透露所需社会融资总额，但是表示很多航空公司和投资公司都对该项目表现出了浓厚的兴趣。

　　这个翼身融合体原型机项目是由美国国防部创新单元提供资金，美国空军能源办公室负责项目管理，美空军空中机动司令部、美国航空航天局将为项目提供支持。在宣布捷零公司赢得研制合同之前，竞标持续了１年，最后只剩下２个竞争对手。捷零公司是唯一公开自己Z-5翼身融合体飞机方案的公司，诺斯罗普·格鲁门公司的全资子公司缩比复合材料公司将在其位于加利福尼亚州莫哈韦的工厂制造这架原型机。

美国航空航天局支持的翼身融合体缩比验证机

　　美国航空航天局从上世纪80年代开始，就开始支持翼身融合体高效气动布局飞机概念研究和技术验证，捷零公司联合创始人马克·佩奇当时就领导麦道公司团队进行了开创性研究，也被称为翼身融合体飞机的发明人。从那之后美国航空航天局支持了包括波音X-48验证机在内的多个翼身融合体飞机技术研究项目，这次可持续飞行演示验证计划支持的捷零公司翼身融合体缩比验证机项目也是其中之一。这架缩比验证机将在加利福尼亚州爱德华兹空军基地进行起飞的着陆测试，正在等待具备试飞条件。预计初始试飞阶段将是持续3个月的测试，基于测试结果可能会开展额外的测试。

　　验证机的缩比是1:8，翼展23英尺（约7米），对应实际飞机翼展约56米。缩比验证机将验证结构和气动控制等方面的技术，其中捷零公司创新的可折叠铰接式起落架设计是评估的关键技术之一，这个技术也是全尺寸翼身融合体原型机的关键技术，该设计方案将前起落架前移，后起落架后移至尾部未使用的机舱位置，起飞时前起落架伸展使起飞迎角增加6度，从而提高飞机起飞升力。

翼身融合体原型机方案

　　捷零公司展示了赢得竞标的全尺寸翼身融合体原型机方案设想，但没有公布原型机具体的尺寸、重量和性能等具体细节。但从其公布的图片信息来看，和2023年4月公布的Z-5方案布局基本一致。Z-5方案的翼展较大，约61米，尺寸接近空客A330，但机身长度约为37米左右，是波音767飞机的3/5，总体投影面积小于波音767，占用停机坪面积较小，带有翼梢小翼，捷零公司表示未来的商业型号将会采用折叠机翼，以适应现在机场操作，原型机先不配备折叠机翼。发动机计划采用PW1100G齿轮传动发动机，集成安装于机体后上表面位置，舷窗和舱门位于飞机两侧。

　　捷零公司正按照2027年开始试飞的进度，有序开展各项工作，2024年1月刚刚通过了系统需求审查，正在与美国空军、美国航空航天局和缩比复合材料公司商讨和明确最终设计方案。翼身融合体原型机初步设计审查将在6月完成，最终的详细设计设计方案将在2025年上半年完成。

翼身融合体原型机各方需求和定位

　　翼身融合体原型机项目由军方提供启动资金，但捷零公司以及美国国防部和空军各部门关注点有所不同。

　　1.快速跟进和推动军民两用技术开发

　　国防部国防创新单元是翼身融合体原型机项目资金的提供方，该单位的职能是为国防部和各军种面临的国家安全挑战寻求最佳商业解决方案，降低商业公司进入国防领域的壁垒，推动新兴和基础技术的创新。翼身融合体布局飞机经过漫长的基础研究，但是仅靠民机市场还缺少强劲的需求促进翼身融合体布局飞机变成现实，美国空军和空中机动司令部对于项目风险的控制，不会冒然投资高风险飞机平台，但当前面临的问题和需求一直存在。在商业领域和国防领域举棋不定情况下，国防部国防创新单元在其中起到了催化剂作用，推动翼身融合体飞机发展迈出关键一步。美国空军希望这项工作能够促使翼身融合体飞机技术成熟并展示其能力，未来为国防部和民航领域提供更多空中平台的选择。

　　2.捷零公司希望抢占低碳排放的中端民机市场

　　捷零公司是一家专门发展翼身融合体飞机的公司，其创始人马克·佩奇和合作伙伴在上世纪80年代领导了麦道公司在2012年创立了Dzyne技术公司，该公司在美国航空航天局支持下提出了Ascent1000概念飞机方案，捷零公司从Dzyne技术公司分离出来，目标是将BWB飞机从概念研究推向市场。该公司表示，公司的目标就是研制成功翼身融合体布局客机，并成功投入市场运营。

　　翼身融合体原型机虽然是美国国防部投资的项目，但捷零公司表示希望通过原型机能够验证搭载250名乘客，航程5000海里（9260千米）的中端民航客机的空气动力、结构和系统。捷零公司认为，目前的原型机方案比最大的单通道容量更大，也比最小的双通道效率更高。2035年前后，波音757和767 退出市场，空客和波音公司不会推出同级别的民航客机产品，这是捷零公司的发展机遇。

　　另一个重要竞争力是翼身融合体飞机升力更大，气动阻力更小，飞机重量更轻，可以使用更小发动机，能够实现更低的碳排放。捷零公司认为航空业是全球十大温室气体排放行业之一，面临减碳排放的政治和经济压力，国际民航组织的国际航空碳抵消和减排计划CORSIA将从2027年开始从自愿阶段转入强制性阶段，燃油消耗一直是航空公司的第一大成本问题。捷零公司分析认为原型机可比同量级传统客机燃油消耗降低50%，是实现减碳排放的最佳过渡机型，未来也可使用氢燃料实现真正零碳排放，公司名称JetZero“喷气零”大概也寓意着“零排放喷气飞机”。

　　捷零公司表示，已经与全球多个主要航空公司进行了积极的讨论，航空公司对翼身融合体布局飞机态度非常积极，对燃油消耗降低50%非常感兴趣。并且这不仅仅是口头上支持，应是有航空公司对翼身融合体原型机项目进行了投资。

　　3.翼身融合体布局飞机是美下一代加油机考虑方案之一

　　空军部长弗兰克·肯德尔曾表示，通过翼身融合体原型机项目的研制，可以帮助美国正在开展下一代空中加油系统（NGAS）方案分析和未来的下一代空运计划。美国空军希望未来有更先进的加油机能够靠近争议地区为战斗机和轰炸机加油。如果原型机能够证明其在空气动力方面的先进性，那么翼身融合体布局飞机非常适合采用隐身设计提高战场生存性。这次原型机项目中不会验证隐身技术和能力。

　　空中机动司令部负责战略和规划的负责人表示，未来NGAS必须能够在威胁环境中执行任务，翼身融合体布局飞机较低的燃油消耗可以提高加油机空中持续飞行时间，燃油输送效率更高，可以抵达更远的前沿简易和跑道较短的机场卸载更多燃油，这有助于空军敏捷作战运用作战模式的实施，能够降低后勤压力，提高联合部队的机动性，从而提高作战能力。

　　捷零公司也表示翼身融合体原型机也将从空气动力学、结构和系统来验证成为远程空中加油机的可行性，目前的方案能够在同样航程任务中携带２倍于KC-46A的燃油。虽然翼身融合体原型机并不是专门针对NGAS进行研制，但它可能会为NGAS提供直接的技术经验和方案路径。

　　4.将降低能源需求作为未来空军取得作战胜利的关键因素

　　负责翼身融合体原型机项目管理的美国空军能源办公室，他的职责不同于传统的美国空军采办机构，如空军研究实验室、生命周期管理中心和快速能力办公室。这次负责原型机项目，目标也不是为美国空军采办新的运输机或加油机，而是验证翼身融合体布局飞机在国防领域是否具有燃油效率优势，原型机项目将是一次产品驱动方式的尝试。

　　空军部长弗兰克·肯德尔表示，翼身融合飞机显著降低燃料需求，从而扩大空军全球覆盖范围，快速、高效、远程调动部队和物资是实现国家安全战略的关键能力。美国空军空中机动司令部的飞机的能源消耗约占空军年度燃油消耗总量的60%，美国空军一直希望改变这一局面。空军实际上也支持翼身融合体研究了30多年，现在需要证明翼身融合体飞机效率是否真的高。

　　美国空军负责能源、设施和环境事务的助理部长拉维·乔杜里在“空天战士在行动”论坛活动上表示，在势均力敌的对抗中，能源将成为作战和取得胜利的关键因素，将会改变游戏规则。这次启动翼身融合体原型机项目表明美国空军在努力保持空中力量的效能优势。

几点认识

　　1.原型机研制没有考虑军用运输机构型和需求

　　翼身融合体原型机项目招标时期望未来能够衍生出运输机和加油机，但是就目前的原型机方案距离军用运输仍有相当大的距离。原型机研制项目本身强调验证全尺寸飞机的效率，以及结构和控制系统能否和气动布局有效结合，还不能考虑飞机其他功能需求。捷零公司表示，原型机研制将按照传统飞机研制流程进行，主要探索飞机包线和震颤特性，以及验证飞控操纵能力。公司强调，原型机没有后开式货舱门，目前的方案没有考虑任何用于装载货物的结构和舱门设计。

　　客机运输的人员和空中加油机运输的燃料，比较容易适应机体的空间结构变化，军用运输机装载大型装备需要贯通货舱和大开口货舱门，机体内不宜像客机或加油机采用隔断加强设计。军用运输机需要空投和快速起降，重心变化大，需要更多控制翼面和更大的控制力矩，但这会牺牲气动效率。例如，上世纪90年代设计C-17具备优秀的起降性能，但气动效率不及上世纪60年代设计C-5和C141运输机，因此军用运输机需要综合考虑使用需求和功能实现，并不一定追求气动效率。

　　2.历史上的巧合和必然性在美国国防部支持下，捷零公司研制翼身融合体原型机，最大的可能是应用于民航客机和空中加油机。这一情形和上世纪50年代波音公司启动波音367-80演示验证机项目有很多相似之处，波音367-80用于验证喷气式客机的技术优势。以波音367-80验证机为基础，衍生出KC-135，成为美国空军首架喷气式空中加油机，也是目前为止生产和装备数量最多的空中加油机。波音367-80 最成功的的是衍生了波音首架喷气式客机波音707，使波音公司成功从纯军机制造商转型为民机制造商，把全球民航业带入了“喷气时代”，并成就了波音霸主地位。历史处在新的发展时刻，捷零公司也许会凭借XBW-1像波音36780成就“喷气时代”一样成就“翼身融合体时代”。这其中也应该看到，美国军民领域对于推动技术进步和产品装备升级具有非常默契的配合，仿佛螺旋一样互相结合，互为支撑，形成行业进步和产业发展共赢局面，这种局面也是其发展的必然。

　　3.鼓励小企业高科技创新使航空领域保持活力

　　美国波音公司和洛克希德·马丁公司对于翼身融合体布局飞机进行了长期研究，应该说具有非常雄厚的技术实力，之所以把翼身融合体原型机项目授予一个初创的小企业，是因为美国政府制定了小企业创新研究（SBIR）和小企业技术转让（STTR）计划，并且法典规定政府外的研发预算必须有一定比例授予小企业，比例一般是3.2%。美国国防部是该计划拨款最多的政府机构，此次原型机项目就是由SBIR计划支持的，一般项目分为三个阶段，一阶段进行原理（原型）和可行性验证，原型机研制项目目前属于第一阶段；二阶段主要是进行商业和应用开发；三阶段是获得商业成功或军事采购。通过让小企业参与国防领域研发，可以刺激高科技创新，培养企业发展，推动项目成熟，直至能够应用于军事。美国通过这种强制鼓励创新的措施，可以避免大企业垄断造成绑架政府和技术保守，这是捷零公司能够获得研制项目主要原因。

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