国产大飞机的当前发展与未来
同学们好！今天很高兴能在“现代科技与家国情怀”特色思政课上与大家一起交流国产大飞机的当前发展与未来展望。本报告分为两部分，第一部分从国家政要的专机说起，介绍中国国产大飞机的发展现状；第二部分从世界飞机发展趋势谈起，展望中国国产大飞机的未来发展。
一、中国国产大飞机的发展现状
（一）从联合国“五常”国家元首专机说起
联合国安理会的5个常任理事国：美国、英国、法国、俄罗斯和中国是现代世界上政治地位最高的5个国家。前面4个国家按照我们历史课的说法都是老牌帝国主义国家，中国在近代历史上则一直被欺压。
什么能够让一个国家成为世界上最强大的国家？能够在安理会5个席位中占据一席？过去有人说是拥有核武器。但这个说法其实并不准确，因为现在世界上拥有核武器的国家远不止5个。印巴都越过了核门槛，还有一些国家也有这个能力，比如，日本现在虽然没有核武器，那是因为和平宪法不允许它这么做，但是大家都清楚，如果解除政治上的约束，日本搞出核武器是分分钟的事，它储存了很多核燃料，也有这方面的技术。所以核门槛应该不是进入世界强国的门槛。
那么，什么才是进入世界最强国家的门槛？可以说大飞机是重要门槛之一。什么叫大飞机？它至少有这样几项指标（这里主要分析民用客机）：一是载客量，150人以上；二是稳定运行，它要在航线上天天飞，不能只飞一次；三是通过商业测试，要适应严格的商业运营环境。我们知道商业运营对飞机的要求很高，不能说今天有点小风小雨就临时决定不飞了。大家坐飞机，航班偶尔取消一次可以忍受，天天取消、延误谁也受不了。所以，大飞机是航空工业甚至整个国家工业体系发展水平的标志，是一个国家荣誉的象征。首先看一下“五常”国家政要的专机。
美国总统的专机：波音747-200。这是美国波音公司的产品。
英国王室的专机：BAE-146。虽然现在英国很多工业都没落了，但它的工业曾经很辉煌，比如二战中非常著名的喷火战斗机，就是它的产品。尽管现在英国没有自己独立的飞机公司（BAE公司的飞机部门已经被空客兼并了），但英国王室还是使用BAE-146飞机。
俄罗斯总统的专机：伊尔96-300。这款飞机除俄航自己部分运行外，西方主流航空公司均不用这款飞机。尽管已不用于商业运营，不在世界主流航线上飞，但它是国家的荣誉和骄傲，并且仍然是普京的专机。
法国总统的专机：空客330-200。这是一款主流的商务飞机，我们现在飞北京、飞上海的很多飞机就是它。现在深圳机场已经几乎是清一色的空客330或者波音777。
我们中国目前是联合国“五常”中唯一一个领导人没有国产专机的，这可以说是一个心病。
（二）运-10：中国发展国产大飞机的最初尝试
中国很早就认识到这一点，也早就有愿望，或者有很强的动力发展国产大飞机，中国对大型客机的第一次尝试是运-10，1970年立项。当时处在“文化大革命”时期，毛主席还健在，“四人帮”也还在台上。1970年7月，毛主席在视察上海时指示：“上海工业基础这么好，可以造飞机嘛！”同年8月21日，国家计委、中央军委国防工业领导小组原则上批准了航空工业领导小组提出的《关于上海试制生产运输机的报告》，这就是“708”工程，即大型客机的运-10。
这里讲一个故事，为什么代号叫“708”，以及为什么这个代号没起好。
当时想，怎么造大飞机呢？实际上是想模仿美国的波音707飞机。由于发动机和主要的航电设备当时国内不能生产（国产的航电设备比发达国家的设备差很远，发动机差得更远），因此，想用中国民航机队波音707的备件——发动机和航电设备，外加中国的机壳，来生产一款大型的四发首长专机，所以工程代号叫“708”。结果被人诟病是“山寨货”，山寨美国707，取了代号708。
我们注意到国产大飞机1970年立项，仅7年多就完成了飞机设计，1980年9月26日正式首飞成功，后来进行了一系列的试飞，一共飞行了130多个起降，170多个飞行小时，并且7次飞抵拉萨。拉萨是高原机场，学过空气动力学的都知道，在高原空气稀薄的情况下起降是对飞机师和飞机的一大挑战。为什么？欢迎大家来航空航天系选修空气动力学。
虽然这个飞机最早定位的是首长专机，但生产出来之后却希望中国民航用这个飞机进行商业运营。但后来，运-10下马了，下马的原因有很多，主要有这几个：一是市场不足、运营成本极高。20世纪80年代很少人有机会、有经济能力去坐飞机，不像现在机场人流爆满，因而订单不足，单价飞机成本很高，运营成本也很高。二是技术落后、安全性差。大家知道，飞机制造要努力追求两条：第一条是飞机的阻力越小越好；第二条是满足强度要求的情况下重量越轻越好。当时最早是按照俄罗斯的适航标准来设计的，比如俄罗斯2毫米，我们也2毫米，结果严重超重。怎么办呢？按照美国的适航标准做成1.5毫米，结果抗疲劳强度不行，飞了100个起降发现出现裂纹，这是要命的事情，飞机安全性是头等大事，不能出现任何问题。因为技术原因，中国民航强烈反对运-10用于商业运行。
最早的运-10飞机现在停在上海飞机制造厂的大院内，飞机的前面有一个碑，上面用中英文写着“永不放弃”。中国第一次尝试大飞机虽然最终失败了，但实际上像这种高技术、高复杂度的产品失败是很正常的。要知道波音第一款飞机707，摔了100多架，整个707机队死亡3000多人，才终于成功，这是血的代价。
运-10下马之后，科研队伍并没有完全解散，最早的原生队伍还是在上海，当时与美国麦克唐纳—道格拉斯公司（简称“麦道”）合作生产飞机，技术人员都在这个项目里。所以历史上曾经有一段时间，麦道飞机的一些部件是在中国生产的，包括西飞和上海飞机制造厂都曾经为它的飞机生产过部件。后来波音兼并了麦道，合作生产任务也就停止了。
由于没有放弃大飞机的梦想，所以2002年又立项了ARJ 21项目。这个项目实际跟当时美国麦道公司的DC 9飞机有很大的联系，很多部件用当时给麦道公司生产部件的模具生产，所以ARJ 21飞机大小尺寸跟DC 9都很接近。飞机机翼是飞机很重要的设计。飞机为什么能飞？全靠翅膀（机翼），翅膀的性能决定了飞机的性能。ARJ 21由乌克兰的安东诺夫设计局协助设计。2008年，这款飞机在上海大场完成了首飞，经过8年的试飞取证，直到2015年中国民航才给ARJ 21颁发了商业运营的许可证，目前ARJ 21已经投入了商业运营。
（三）C 919：让全球大飞机进入ABC三国演义时代
C 919是由中国商用飞机公司研制的中短程双发窄体民用客机。窄体客机是什么意思？我们现在乘坐的飞机基本上是两种：一种是中间有一个走道，两边各三个座位，这就是窄体飞机。如果有两个通道，一排座位是333布局或者343布局，一排9到10个座位，这就是宽体客机。空客的320和近期出事的波音737都是窄体客机；像我们常坐的空客330和波音777、787都是宽体客机。
中国商用飞机公司（COMAC）寓意为将与空中客车（Airbus）及波音（Boeing）形成“ABC”（三家飞机的英文首字母）三足鼎立，“三国演义”这样一个瓜分世界客机市场的格局，野心和志气都不小。整个项目于2008年启动，中国商用飞机公司主要的设计和生产都在上海，上海市为此投了好几百亿元，主要资金来自上海市国资委。
2015年11月2日，首架C 919总装下线，党中央国务院发贺电；2017年5月5日首飞成功。后来，习近平主席在春节致辞和元旦致辞等场合多次提到C 919大飞机是中国航空工业史上的里程碑。
很多同学问这个飞机是不是国产的，是国产的。但有人说发动机是国外的，中间很多的航电设备也是国外的，为什么还说它是国产大飞机呢？这实际上是一个误解。因为即使是波音和空客的发动机和航电设备也一般都是全球采购的，波音的飞机也用欧洲的航电和发动机，空客的飞机也用美国公司提供的航电设备和发动机。
C 919的常务副总设计师陈迎春总结提出，决定一个飞机是不是国产的主要看几个方面，我们之所以说C 919是国产大飞机，就是因为它以下五个方面实现了自主创新：第一，飞机的总体方案是由中国自己定的；第二，气动外形由中国自主设计、自己试验完成，通过无数次的计算和风洞试验；第三，飞机的机体从设计、计算、试验、制造全是中国自己做的，除了发动机之外都是中国自己造的；第四，系统集成由中国自己完成，用什么样的发动机、用什么样的航电由中国自己来决定；第五，中国自己的特色管理，中国商用飞机的整个管理层和工程全部都是中国自己的。
波音和空客为了应对C 919对它们造成的挑战，分别把737和320做了更新，升级为737max和320neo，主要设计不变，换装了最新的发动机，他们换装的发动机也是CFM国际公司提供的。这样，CFM公司专门为空客、波音和商飞三家公司提供发动机，分别取名叫LEAP-1A、LEAP-1B和LEAP-1C，正好对应ABC三家，所以从发动机的角度看，这三种是一样的，同场竞技。
我们说竞争很激烈，是因为竞争对手在包括民用客机在内的整个飞机生产制造方面都有长期的经验积累。2018年5月，波音737第一万架飞机举行下线仪式。也就是说，在C 919首飞之后一年，波音737下线了第一万架飞机，这是目前民用客机唯一一款生产量超过一万架的。当然还有很多的战斗机超过一万架，例如，著名的轰炸机B 29、B 17，实际上也是波音公司的产品。1916年成立的波音公司在飞机制造方面已经有100多年的历史，它生产了无数的飞机，同时还是卫星、火箭的制造商。我们的压力不小。
二、中国国产大飞机的未来发展
（一）未来民用飞机发展的驱动力
1．速度：还能不能更快？
很多同学问未来的飞机会不会飞得更快，现在从北京到深圳飞3个小时左右，能不能1个小时就到？现在去美国10多个小时，为什么不能2个小时到？这里涉及物理定律。我们知道飞机飞行的时候要克服阻力，阻力有一个衡量标准叫作阻力系数，系数越大飞机受到的阻力就越大，这个系数要乘上速度的平方。空气的动力学里有一个基本的原理，在达到声速的时候阻力系数急剧地升高，这个时候受到的阻力极大；超过这个速度，阻力系数反而降了（阻力一直上升并没降下来，但阻力系数是急剧降低的）。如果你想飞得更快，你就要付出更大的代价，这个代价跟速度的平方成正比。
所以目前和今后相当长一段时间里，为了经济性，飞机基本上不会飞得更快。只能限制在目前的速度范围，就是马赫数0.8到0.85之间。那么有没有飞得更快的飞机？有。历史上英法联合制造的“协和号”飞机，它在20世纪60年代完成首飞，这是第一款投入运营的超声速客机，堪称航空工业历史上重要的里程碑。20世纪60年代正好是冷战的高潮期，苏美两大阵营、西方和苏联都在互相比，包括人造卫星、登月都是在那一时期，当时苏联为了不让西方超越，抢在“协和号”之前首飞了自己的超声速客机，它长得跟“协和号”差不多，名字叫图-144，但这个飞机从来没有在航线上运营过。如果说第一款超声速客机是图-144，那第一款正常运营的是“协和号”。“协和号”在纽约到伦敦、纽约到巴黎航线上从20世纪60年代一直飞到2003年。“9·11”事件后，“协和号”在法国机场起飞的时候出了事故，导致机毁人亡，当时整个航空业不景气，“9·11”事件之后没人敢坐飞机了，所以就飞不下去了，2003年“协和号”飞机就退役了。目前市场上没有一款超声速的飞机。
2．能耗：节能减排降噪要实现什么样的愿景？
关于节能减排，国际航空组织预测，未来汽车的交通运输量会逐步下降，航空运输量会大幅上升。由于现今交通方式仍然主要依靠石油提供动力，航空运输所带来的石油资源的消耗非常巨大，而且与日俱增。所以降低油耗是未来飞机发展的一个主要方向。
关于降噪，按照飞机的重量来算，小飞机要求的噪声更低，大飞机可以允许高一点，从1971年到1977年、2006年、2017年，噪声的标准要求越来越严格。美国NASA（美国国家航空航天局）提出，未来的噪声标准要进一步大幅降低。
总之，未来民用飞机会呈现出如下趋势和特点：一是民众乘坐飞机出行将更加频繁；二是高端商务人群扩大，时间成本催生快捷跨洋飞行；三是民用飞机产品节能、减排、降噪要求日益严苛；四是常规布局飞机改善空间有限，非常规布局飞机日益受到各国的关注。这就使我们面临这样的境地：石油资源紧张、全球变暖、气候变化影响人类活动、客流持续增长、机场运输能力饱和、机场周边噪声影响，等等。因而发展环境友好、节能减排、降低噪声的绿色航空成为人们的共同心愿，这驱动着未来民机要完善或革新技术，实现升级；推出全新产品，实现换代，推出更高的燃油效率，能够减少温室气体排放、降低飞机客舱内外的噪声、减小所需要的跑道长度，以不断满足人们更快捷、更舒适、更经济、更环保、更安全的出行需求。
（二）未来民用飞机发展的设想
未来飞机长什么样？人们有很多设想，大致说来主要有以下几种：
1．翼身融合飞机
翼身融合，或者说飞翼跟常规飞机的一种混合。它的特点就是飞机翅膀和飞机机身呈现一种融合的趋势，机身很宽可以坐很多人。但这种飞机的潜在弊端是：结构设计上可能会有很多问题，再就是舒适度可能不佳，例如，座舱太宽，飞机一摇摆，坐在边上的人就会很晕。
目前人们提出了很多翼身融合方案。其主要特征是翅膀和翼身融为一体，采用先进的发动机、先进的边界层控制的技术，还有内埋式的发动机，它把发动机装在背上，这样地面上看不见也听不见，可以达到降噪的标准。如NASA的N 3-X翼身融合方案，其主要特点是发动机是分布式的，不是装两个大发动机，而是在背后装很多小发动机，即分布式推进。试验数据表明，该方案可以降低燃油消耗72%。波音的X 48翼身融合方案，波音和英国的一所大学曾联合做出1.6米的验证机，目前我们也在做类似的工作。这款飞机已经试飞了，而且已经有了3个型号，分别是X 48A、X 48B、X 48C，目的是研究这种翼身融合飞机在大型商务飞机方面的应用前景。
2．桁架支撑翼混合动力飞机
桁架支撑翼混合动力飞机，一是加长飞机的翅膀。这种飞机的机翼细长且轻薄。细长和轻薄有什么问题？容易断，强度不够。细长可以增大升力，减小阻力，但是对结构设计产生了很大的挑战，所以要加两根撑杆。二是多采用电推进，混合动力也是目前我们正在研究的课题之一，最多可以降低88%的油耗，这是相当绿色、环保的。这也是未来的一种构想。
目前各国加大了对桁架支撑翼混合动力飞机的研究。例如，美国波音的SUGAR（亚音速超绿飞机研究），俄罗斯也提出了很多他们未来的发展设想。
3．超声速客机
自从“协和号”超声速客机于2003年退役后，目前已无超声速客机从事商业运营。但“更快”是我们永恒的追求。近些年，超声速客机研究热潮再起。美国N+i计划期间，波音、湾流、洛马等公司开展了多种设计方案研究。欧洲EADS设计了一款载客100人以下、使用氢燃料（二氧化碳排放接近零）、马赫4（速度提高了4到5倍，两三个小时就可以从中国飞到美国西海岸）的高超声速远洋客机。俄罗斯和日本也有各自的静音超声速运输机研制计划。
超声速飞机为什么当时没有发展起来？很大的一个原因就是声音特别响——扰民。当然还有另一种说法，当年美国在超声速客机竞争方面落后于欧洲，“协和号”1969年首飞，波音搞超声速客机差点搞破产了，所以政府出面设置了一个障碍，说“协和号”太吵了，把我们的鸟都吓跑了，因此禁止超声速飞机在大陆上空飞行。这就造成“协和号”飞机不能在北美上空运营，只能在海上飞，所以订单有限，导致“协和号”一直发展不起来，造了30多架就结束。现在发展超声速客机有什么难点？声爆的预测和抑制、激波阻力的预测与减阻、跨声速飞行控制、结构热防护，等等。
超声速客机动力装置也是目前研究的前沿，国之重器。我们国家的发动机一直是一个短板。目前，国外的科研人员已经从集成火箭发动机和常规的喷气发动机到探索超燃冲压发动机，现在我们国家的航天一院（中国运载火箭技术研究院）也在进行这方面的研究。北研中心也做了很多前沿研究，以后还会继续这方面的工作。
我的报告到此结束，谢谢大家。
提问与回应
学生1：国产大飞机方面有运-20、C 919、AJ 600，您刚才从飞机的结构方面做了设想，我想问一下从功能方面会不会有发展，我们以后的飞机是不是可以既在水上飞，又在路上飞，还能在航母上飞？
单肖文：运-20不是客机，是军用运输机，它设计的需求和考量跟民航客机是不太一样的，运-20有一个特点是起落架非常短，基本上机肚子是贴着地面的，因为坦克要开上去；民航客机不考虑这点，民航客机不会要求坦克直接开到飞机上。军用飞机要求能在很差的地面情况下起降，并且能短距离起降，因为打仗的时候不可能找到设施非常完善的机场；民用客机都是在机场飞，机场都有非常完善的设施，跑道也很长。像运-20这样的大型运输机飞行表演的一个重要方面就是它能够飞得多慢，飞得越慢落地跑道长度越短。在水面、公路、航母等各种地方起降在技术上不是问题，是否会大规模应用主要取决于需求和成本。
学生2：您在选择航线的时候会不会选择特定型号的飞机？
单肖文：这是很现实的考量，飞机的可靠性是所有人都关心的，大家都不想出事。曾有个段子说，某人买了飞机票，发现执飞的是俄罗斯生产的飞机，于是立马退票。现在，即使俄航飞国际航线也都是用波音、空客的飞机，不用俄罗斯自己生产的飞机。事实上，已经很少有机会乘坐空客和波音之外的飞机了。现实不是经常需要做抉择的。当然，有一个建议：如果可以选择的话，尽可能选择乘坐大飞机。因为一方面，大飞机的机身比较稳；另一方面，大飞机的机长经验比较丰富，一旦出事，大飞机的机长使飞机安全降落的可能性更大一些，因而更安全。