运输机未来发展趋势综述

　　2022年柏林ILA国际航展上展出的空客BWB概念飞机模型。

美空军大型翼身融合演示机概念图。

埃尔罗伊航空公司的“丛林”无人机正接受美空军测试。

“星舰”可复用飞船概念。

　　波音BWB隐身设计的俯视图清晰显示内置发动机和上部排气系统。

　　2022年11月9日挪威安岛太空防御靶场的“快速龙”演示。虽然该概念设想使用巡航导弹，但也可包含诱饵和无人机等其他空射武器。

　　DL200无人运输机采用电推进设计，可搭载35～40个国际标准集装箱。

　　空客为多种运输机构型（从传统管状机身到BWB设计）研发零排放氢推进系统飞机。

美空军空运的现役主力机型C-17和C-130。

　　极光飞行科学公司的“自由升降机”更接近传统的水上飞机，采用单机身、上单翼、梯形尾翼，8台螺旋桨发动机悬吊在机翼下方。

　　贝尔的大、中、轻型高速垂直起降（HSVTOL）概念，背景中的C-130和V-22提供尺寸参照。姜廷昀　　各国武装力量正在评估中长期技术创新，旨在提升运输机的速度、航程和生存能力。更远、更快、更优　　尽管“更远、更快、更优”的口号听起来已经不时髦，但这些词汇恰当地描述了当前军事规划者对下一代运输机的愿景。一方面，这反映了利用新兴技术和材料提升性能、简化维护并尽可能降低运营成本的渴望。另一方面，地缘战略环境的发展和作战概念的相应变化，要求军事空运进行适应性调整以满足任务需求。在未来威胁环境中，改装民用运输机用于军事用途的做法或许不再可行。远程防空系统和空对空武器的发展将直接威胁战区内飞行的运输机；这些飞机需要“隐身”级信号特征来规避综合防御系统以提升生存能力。敌方远程火箭和导弹将使战区内的空军基地处于危险之中。因此，从简陋的备用机场甚至临时着陆区起降运输机将日益重要。速度和航程的提升也将增强对印太等广大战区部队的支援能力。　　近些年，分布式军事行动有取代大规模地面作战部署的趋势，特别是在印太战区的行动，各国军方也认识到需要更多样化的机队，包括大型和小型运输机。美空军空中机动司令部司令米尼汉在2023年7月明确表示，其“下一代空运”（NGAL）计划应发展为一个系统家族。这些系统不仅将取代空中机动司令部的超大型运输机（C-5、C-17）和中型战术运输机（C-130），还将引入更适合向分散单位投送小型载荷的小型飞机。时任美国太平洋空军司令的威尔斯巴赫呼应了米尼汉的言论，主张发展更多（可能无人化的）小型运输机，能够同时向多个地点运送有限数量的人员或物资。米尼汉本人还宣布，垂直起降（VTOL）或无人驾驶飞机等非常规技术正在被考虑，作为未来需求的潜在解决方案。　　为了实现这些目标，政府和工业界正在研究更轻且更坚固的材料、更符合空气动力学的设计、替代装配工艺、创新操作理念以及替代燃料方案。下一代和“后一代”运输机预计将呈现“革命性”而非渐进式的设计和能力，以便在高威胁环境中部署和生存。话虽如此，许多设想中的技术都具有军民两用性，这将激励业界投资研究，而这些研究也将用于打造更高效、更具成本效益的未来商用航空平台。翼身融合体设计　　减少摩擦阻力的气动优化将成为未来运输机设计的主要目标。翼身融合体（BWB）设计是颇具前景的方案。如其名称所示，BWB的机身和高展弦比机翼形成整体，呈现出更宽大且连续的轮廓。翼身融合飞机通过机身和机翼共同产生升力。这种设计有望显著提升空速和航程，同时将燃油消耗降低约30%~50%。与同等尺寸传统“管状机身+机翼”构型飞机相比，BWB的额外升力允许其从更短的跑道起降。此外，更宽的机身可容纳比同长度传统飞机更大的有效载荷。　　美国防部创新单元、美空军和NASA等多个政府与工业团队正在联合研究该技术。迄今为止，翼身融合概念仅小规模研究或在风洞中进行测试。2023年8月，美空军选择加州JetZero公司（与诺斯罗普·格鲁门和缩比复合材料公司合作）建造适合货运或加油角色的大型BWB验证机。全尺寸技术验证机与大型窄体商用飞机尺寸相当，但预计燃油效率提升50%。该验证机方案基于JetZero公司之前提出的Z5客机方案为基础，设计目标是运载250人，航程9260千米（5000海里），同时重量仅为当今同等运力客机的一半。飞行测试预计在2027年初进行。尽管JetZero公司表示有信心在2030年前实现实用化，但鉴于测试和未经验证设计的挑战，许多航空专家认为该时间表过于乐观。　　研究翼身融合概念的其他企业包括空客，该公司在其氢动力“ZEROe”（零排放）系列概念机中提出了BWB方案。据该公司称，BWB飞机航程可达3704千米（2000海里），载客量低于200人。虽然主要面向民用市场设计，但最终可调整为满足军事运输需求。随着飞机概念和推进技术的完善，空客BWB的性能特征有望提升。　　尽管未被明确视为“隐身”设计，但BWB飞机更统一的构型显著降低了雷达截面积（RCS），从而提升生存能力。鉴于该构型固有稳定性，某些BWB设计无须尾翼。发动机可安装于机身上方或嵌入机身，后者配置进一步降低飞机的雷达、热力和声学特征。　　波音在2023年1月推出了自己的BWB战术运输机概念。该公司专门将其模型设计为隐身飞机。除BWB构型的标准优势外，波音模型还具备多项低可探测性的设计，包括遮蔽式发动机进气道、棱线边缘、相对尖锐的喙状机鼻和展开式尾翼。内置发动机和朝上的相对扁平的发动机喷气口进一步降低雷达和热信号特征。该公司强调该设计仍处于早期概念阶段，存在较大改进空间；2023年初，波音推测其可在未来10至15年内发展为实用运输机。地面效应飞机　　美国防部国防预先研究计划局（DARPA）通过“自由升降机”（Liberty Lifter）计划和“速度与不依赖跑道技术”（SPRINT）计划研究多项非常规概念。与翼身融合不同，这些概念不依赖降低信号特征，而是采用其他方法实现最低可探测性和高生存力。两种概念均完全脱离跑道或陆上基础设施。　　“自由升降机”是地面效应飞机概念。美空军于2023年1月向极光飞行科学公司和通用原子航空系统公司（GA-ASI）授予竞争性原型设计合同。2024年5月，极光飞行科学公司的“自由升降机”水上飞机项目的原型机设计被美国军方采纳，签署了价值830万美元的研发合同，用于推进该项目研发。DARPA表示验证机首飞计划在2027年底或2028年初。该机构的要求包括：具备地面效应长距离贴海飞行能力，以及最高3100米高度的常规飞行能力；具备在4级海况条件下海面起降能力，并能在5级海况持续作业；货运能力需达到或超过C-17。　　该飞机将用于滨海区域或岛屿间的运输，以超越现有海运平台的速度投送人员、大型装备或大宗物资。鉴于这些特征，其设计明显倾向满足印太战区需求。DARPA在2023年2月1日的新闻稿提到最终将与国防部和国际伙伴合作开发实用飞机。不过，考虑到正在评估的更廉价方案（例如，为C-130运输机加装可拆卸浮筒以实现海面起降），该概念能否超越X验证机阶段仍存疑。垂直起降运输机　　垂直起降系统也在考虑之列，旨在为缺乏临时跑道（如公路或平整场地）的前沿作战单位提供补给。直升机和V-22倾转旋翼机具备此能力，但未来垂直起降飞机必须在速度、航程和生存能力方面超越现有装备。在此背景下，米尼汉特别提及DARPA的“速度与不依赖跑道技术”（SPRINT）计划。该计划旨在开发巡航速度741~833千米/时（400~450节）的喷气飞机，并能在需要时转换为垂直模式，可在无合适跑道的简陋场地着陆。　　据DARPA称，SPRINT的垂直起降X验证机只进行技术验证，没有未来实际开发和采办计划。DARPA表示飞行测试计划旨在验证不同尺寸军机的赋能技术和集成概念。极光飞行科学公司、贝尔-德事隆、诺斯罗普·格鲁门和皮亚塞茨基飞机公司四家公司已获得初始概念设计合同。DARPA在2024年5月已选定极光飞行科学公司和贝尔-德事隆公司在SPRINT计划下继续推进X验证机的设计。2025年夏末计划进行再次筛选，2027年初开始验证机飞行测试。　　贝尔公司2021年宣布正在开发三型高速垂直起降（HSVTOL）飞机家族，涵盖1800千克无人机至45500千克级（接近C-130尺寸）有人驾驶平台。每型都将采用倾转旋翼垂直起飞和喷气动力水平飞行的双推进系统，预计巡航速度超741千米/时（400节）。信号特征抑制技术及电子/红外对抗措施将提升生存能力。具备此类能力特征的运输机最适合向高度争议区域投送人员物资。截至2024年初，相关技术评估已在新墨西哥州霍洛曼空军基地展开。　　除DARPA的SPRINT计划外，其他垂直起降货运项目也在推进中，包括正投入使用的民用货运无人机。旧金山埃尔罗伊航空公司已获得500架“丛林”无人机订单，该机可载重136千克、航程500千米、巡航速度232千米／时（125节），并能在5平方米区域内着陆。混合电推系统由8个垂直升力风扇和4个水平飞行电动螺旋桨组成，机载燃气涡轮发电机可在飞行中为电池充电，从而提升航时和航程。有效载荷通过外挂吊舱运输，可实现自主投放或回收。　　尽管“丛林”主要面向民用货运市场，但埃尔罗伊航空公司也获得了美空军的研发资金。此类构型飞机将填补小型无人机与有人机之间的空白，适合为分散的排连级单位提供补给。“丛林”本身可通过战术运输机或12米集装箱运入战区。该系统计划2024年完成试飞并开始交付，后续年份启动商业客户全面交付（作者注：还没有关于该型无人机的交付报道，2024年底还为海军和海军陆战队进行了演示验证）。这种相对低成本且可大规模采购的飞机适合高风险争议区域使用，并可在更先进的下一代装备应用前提供过渡解决方案。无人／可选有人驾驶　　目前几乎所有飞机类别都在测试无人平台适用性，运输机亦不例外。中国腾盾科技2022年10月宣布其“天蝎”D货运无人机首飞。该双用途飞机具备1.5吨或5立方米有效载荷能力，似乎适合短距或简陋场地起降。　　西方企业正从小型到大型飞机全谱系发展类似能力。英国Droneliner公司提出DL200和DL350两种概念设计，有效载荷分别为182吨和318吨。凭借预计的12038千米（6500海里）无加油航程和空中加油能力，这些设计有望实现次日全球货运。DL200和DL350配备全自动滚装卸货系统，货舱分别能容纳最多40个或80个标准6米ISO集装箱。据该公司称，快速装卸时间和4:1的载重燃油比（通过使用高燃油效率发动机实现），有望降低70%空运成本。　　尽管Droneliner主要瞄准民用货运市场，但其设计包含遥控空投选项。除该能力外，宽体无人运输机可快速将装备物资从北美或欧洲运至战区的安全物流枢纽，再转接战术运输机。这将减轻机组人员压力，腾出飞行员主要执行战区补给任务。当前多国招募和保留飞行人员的困难，节省飞行员尤为重要。开发全自主运输机需要人工智能技术的进步。中短期内，军方是否会将重要战备物资委托给全自主飞机尚存疑，而用无人运输机运送部队则更不可能。增强自动化可减少驾驶舱人力需求，比如允许单个飞行员操作，美空军已在考虑为KC-46加油机采用此类方案。替代/可再生能源推进系统　　新型推进方案是另一个受关注领域。尽管主要是工业界希望在民机市场推广，但国防领域也对提升燃油效率，降低对进口石油依赖和减排感兴趣。研发工作通常分为两类：替代燃料（亦称可持续燃料）和电力推进。　　氢能目前看来是替代碳氢燃料的最优选项。氢推进存在三种不同概念：第一，氢燃料，简单用液态氢取代碳氢燃料，需修改发动机燃料室，但整体推进过程基本不变；第二，使用氢燃料电池驱动电动机，这种电推进系统将彻底改变现有体系；第三，将氢燃料燃气轮机与氢燃料电池结合形成混合推进系统。　　多家企业正在研究这些技术，主要集中于小型机体。空客通过ZEROe计划同时开发三型氢动力概念机，成为该技术应用于大型飞机的全球领导者。这包括前述BWB概念、两款采用混合氢电系统的传统构型飞机（一款涡扇，一款涡桨），以及一型氢燃料电池驱动的电动螺旋桨飞机概念。该公司希望2035年前推出全球首款全氢动力商用飞机。作为过渡步骤，空客计划2026年开展A380客机改装验证机试飞，该机将结合氢燃料涡轮和氢燃料电池实现混合推进。　　然而挑战依然存在。值得注意的是，空客对其第一代ZEROe概念的载客量和航程预期显著低于同类碳氢动力空客运输机。按重量计，液态氢能值远高于碳氢燃料，但其密度显著较低抵消了这一优势，导致需要更多燃料装载空间，还需专用（通常较重）存储容器。添加燃料电池进一步增加重量负担。随着时间推移，这些挑战或将找到解决方案。不过行业分析认为，即便氢动力飞机在2035年左右开始服役，也要接近2050年才能完全成熟。军事空运不太可能成为替代燃料的先驱，革命性推进系统更可能出现在“下下一代”军用运输机。亚轨道运输　　最具革命性的概念是通过亚轨道飞行实施物资投送。原则上该概念超出运输机范畴，其设想使用火箭运载货舱。要实现亚轨道飞行，运载器需到达距地表100千米的卡门线，再入大气层并着陆。　　尽管这种构想类似科幻，美空军多年来一直在积极研究亚轨道运输。“在太空领域的创造性思维方面，我认为没有什么是禁区，”时任空军负责采办、技术与后勤的助理部长威尔·罗珀在2020年11月表示，“当你能用太空舱发射一个简易空军基地时，这简直太棒了！只需让它在地球另一边降落，携带维护和操作小型机队所需的一切：加油、重新武装并重返战斗。”罗珀在五角大楼简报会上的发言呼应了时任美国运输司令部司令史蒂芬·莱昂斯此前的声明：“设想将80吨（相当于C-17载荷）在一小时内投送至全球任意地点。我们应该挑战自我，以不同方式思考未来力量投送，以及火箭货运如何参与其中。”2021年，美空军将“火箭货运”计划提升为高优先级项目。　　为实现该目标，美空军研究实验室（AFRL）已与五家企业签署合作研发协议（CRADA），研究亚轨道“点对点”投送潜力。SpaceX正在开发的“星舰”运载火箭受到特别关注。星舰上面级由6台发动机驱动，其中3台可在再入阶段调整着陆姿态后实施受控“软着陆”。此外，有效载荷可在飞行中抛投。据SpaceX称，火箭货舱具备100~150吨容量。2022年启动的持续研究计划分析“星舰”商业发射和着陆数据，评估其货舱与美军集装箱系统的兼容性，最终实施载货“星舰”发射和着陆演示。据火箭货运计划首席科学家格雷格·斯潘杰斯称，此类飞行测试最早可能在2026年进行。　　然而成功测试不意味着该概念接近实用成熟。诸多挑战依然存在，包括开发标准化货柜以保护设备和物资免受发射和再入影响，同时保持与传统军用地面/空中载具的兼容性。另一个高成本难题是需要在美国本土和海外建设多个专用航天发射场。从偏远孤立着陆点回收可复用上面级也存疑，特别是在战时条件下。多数专家认为实现该构想仍需数十年时间发展。考虑到对手可能将补给任务误判为核攻击并发动反击的风险，十年时间充分验证或许是件好事。最可能成功的路径　　下一代及远期运输机最重要的考量因素将是：敏捷性、生存力、对基础设施依赖最小化、为分散地点的补给能力，以及相对较低的运营成本。现有或正在研发的轻质高强度复合材料将允许建造更具气动效率和更低RCS的新构型（如BWB）。除降低信号特征外，这些材料还将降低机体重量，从而提升燃油效率、航程和速度。　　开放架构将允许飞机最大限度适应新作战环境条件，或在主要任务外承担额外任务。2024年2月，米尼汉进一步详述了美空军对未来机动平台（无论是加油机还是运输机）的愿景。提到的选项包括充当通信节点或增加指挥控制/作战管理能力。他在科罗拉多州空天军协会作战研讨会上表示：“我们在这些飞机上拥有巨大的空间来实现互联互通，可以为更伟大的事业服务……且不会让空军破产。”生存能力提升（至少对威胁环境中的运输机而言）可能还包括防御性（也可包括进攻性）电子战套件，以及控制武装无人护航机的能力。添加电子支援措施将允许运输机在例行运输任务中收集电子情报。　　运输机与具备货运能力的加油机也将作为辅助武器发射平台使用。美空军于2021年开始测试“速龙”概念，从C-130和C-17运输机发射托盘化巡航导弹。美国盟友迅速表现出兴趣，促成2022年北约演习期间的概念演示。这些概念对所有拥有中大型运输机的国家都具有可行性，使缺乏轰炸机编队的部队也能投射大量远程武器或智能弹药。　　技术越复杂，飞机成本越高。未来空运机队最可能形成分层式运输接力链。部分机型将配备尖端生存手段（包括低可观测涂层和垂直起降能力），适用于高对抗环境的前线任务。它们可能与有人／无人护航编队协同部署，甚至自身实现无人化。对于远离前线的战区内行动，配备防御性电子对抗装置，或配备动能/定向能武器的大型有人运输机将承担向枢纽基地输送物资兵员的任务。翼身融合设计等技术使这类飞机能从短距或简陋场地起降。在低威胁环境中，大容量高燃油效率运输机将继续依托完善军民机场实施战区投送。