美國空軍超前探索翼身融合下一代大型飛機

Z-5翼身融合飛機概念圖。

翼身融合原型機的渲染圖。8月16日，美國空軍選擇JetZero在2027年建造並試飛一架翼身融合原型機。此舉旨在使技術成熟並展示其能力，為空軍和商業行業未來的空中平臺提供更多選擇。

JetZero翼身融合驗證機空中加油概念圖。

X-48驗證機。徐秉君　　據美國國家航空航天局8月16日宣佈，美國空軍已經挑選了航空航天初創公司JetZero來設計製造一個翼身融合（BWB）飛機原型機，用於測試和演示新技術。飛機將於2026年組裝完畢，飛行測試將於2027年開始。　　《空軍與太空軍》雜誌網站刊文稱，新的設計理念有望提高燃油效率，從而提高航程，並減少跑道要求。它還試圖證明新材料和快速原型製作的新方法。它可以在即將進行的下一代空中加油系統（未來加油機項目NGAS）替代品分析中發揮至關重要的作用。　　美國空軍部長弗蘭克·肯德爾在8月16日空軍與太空軍協會的揭幕式中啟動了該計劃。他説：「它的目的是加速空軍未來所需的下一代大型飛機的開發。」　　五角大樓官員稱，這一決定標誌着飛機設計的一個新里程碑，併爲空軍機隊提供了一個更有能力、更環保的未來。美國空軍為何選擇BWB翼身融合（BWB）　　概念首次提出於20世紀80年代，該設計採用翼身融合佈局，使飛機能夠將機身結構和空氣動力學相結合，相比傳統常規佈局的飛機更高效，主要是能夠降低飛機的重量和氣動阻力，並獲得更大的氣動升力。　　儘管翼身融合是一種全新的設計概念，但在此后相當長的一段時間內，由於受當時的技術條件限制，翼身融合佈局的飛機在縱向和橫向的操縱能力較差，並容易產生靜不穩定性，且非軸對稱機體結構的製造難度和成本較高，所以儘管設計理念比較先進，但卻一直沒有製造商進行工程研製。　　然而，BWB設計概念已顯現其潛在能力和優勢，因此美國航空工業巨頭並沒有因此而放棄研發。作為一種技術儲備，自20世紀80年代以來，美國麥道公司及其后來的收購者波音公司因推進現代BWB研究而受到讚譽，特別是通過BW-17、X-45B和X-48演示機和原型機，使BWB研究得以持續推進和發展。五角大樓和空軍為何選擇BWB作為下一代大型飛機？　　一是基於戰略需求。美國全球戰略調整后，把中俄作為戰略競爭對手，隨着戰略重心東移和印太戰略的推進，美國空軍深感戰略投送以及運輸保障能力不足，再加上現有的運輸機型和加油機型日趨老化，急需更新換代。　　為此，JetZero公司聯合諾格公司推出了Z-5翼身融合飛機方案，正好迎合了美國空軍對未來新一代大型飛機的需求。對於美國空軍來説，這關係到全球競爭。美國空軍部長肯德爾説，BWB 可以幫助「保持我們對中國的優勢」。美國空軍官員稱讚該計劃是一項關鍵的發展，將使美國軍隊在潛在的衝突中超越中國技術，並在軍事行動中超越中國軍隊。　　二是看中翼身融合飛機巨大的潛能。由於BWB採用全新的結構設計、大量採用新材料以及採用新的製造工藝，使得BWB不僅具有重要的軍用價值，而且還具有巨大的商業價值。　　經過前期概念研究，翼身融合飛機理論上可發展爲民航客貨機、軍用加油機和運輸機。為此，JetZero公司聯合諾格推出了Z-5翼身融合飛機方案，並計劃與美國軍方、美國國家航空航天局和美國聯邦航空管理局合作，力爭在2035年左右投入運營。　　三是BWB可以大幅度提高燃油效率。五角大樓認為，飛機約佔空軍消耗所有燃料的 60%，空軍已經是國防部最大的燃料消耗者，而國防部又是聯邦政府最大的燃料用户。　　JetZero公司提出的Z-5翼身融合飛機方案，為該驗證機也提供了一個機會，驗證30年前提出的BWB概念所承諾的理論燃油效率和短距起降性能是否能夠在全尺寸飛機上實現。JetZero公司聲稱，新提出BWB構型飛機與同級別傳統「管翼」商用飛機相比，可以實現50％的燃油節省。　　Z-5節省燃料和提高燃油效率受到空軍的青睞。負責設施、能源和環境事務的空軍助理部長拉維·喬杜里 （Ravi Chaudhary）表示，節約改變了作戰的性質。 他説，更大的航程會增加殺傷力，燃油效率節省了能源，使空軍能夠進行更多的飛行。　　美國空軍部長肯德爾則説：「這項技術確實有潛力幫助顯著提高燃油效率。這不僅會提高我們部隊的效率和能力，還會減少對環境的影響。」開啟商業應用向軍事領域轉化的新模式　　軍用裝備往往是匯集當代最先進技術成果的集合體，代表着一個時期最高的技術水平。按常規以往高端技術的轉化一般都是軍轉民。值得注意的是，美國空軍對BWB卻採取了由商用向軍用轉化的新模式。　　2022年，美國空軍能源、設施和環境辦公室加大了對BWB構型飛機的投入，與美國國防創新單位（DIU）合作發佈了競爭性提案邀請書。一年后，DIU選擇了JetZero的BWB概念機作為資助對象，這為BWB構型的發展帶來了新希望，為其將來應用於商用飛機和軍用加油機及運輸機奠定了基礎。　　翼身融合比傳統的管翼飛機具有明顯優勢。混合機翼創造了一個大而連續的機翼，有助於提升升力和最小化阻力，從而減少對燃料的需求。其優勢主要體現在兩個方面：一個是BWB構型創造了巨大的內部空間，這樣可以攜帶大量的航空燃料，既可以為飛機自身提供燃料並增加飛行距離，還可以作為加油機將燃料輸送給其他飛機。另一個是，它巨大的內部空間，還可以容納所有類型的軍用貨物，從車輛、裝備到物資。這對於幫助美國空軍和海軍戰機跨越北美和亞洲以及太平洋之間的距離來説是一個很大的優勢。　　2023年8月16日，美國空軍宣佈JetZero公司獲得了一份2.35億美元的合同，資助其首型全尺寸翼身融合體驗證機的開發和生產，並將在4年內實現首飛。　　Z-5是JetZero公司Z系列飛機中的第一款。按照其公佈的數據，Z-5可搭載250名乘客飛行9260千米，具有較寬敞的單層客艙和高展弦比的機翼；翼展接近61米，和空客330和波音777飛機相當，但機身長度小於波音767。　　Z-5的機體主結構採用全複合材料製造，可以解決非圓形機身的製造問題和客艙的加壓問題。Z-5項目初期將採用傳統航空燃料箱，但JetZero公司稱，未來如果替換成液氫燃料箱，Z-5的結構也具有足夠的空間。　　環境和商業影響推動了美國空軍研製新機方法的改變。該項目不再由空軍裝備司令部的生命周期管理中心或空軍研究實驗室領導，而是由負責設施、能源和環境事務的空軍助理部長辦公室主持。　　喬杜里告訴媒體：「國會指示我們成為這方面的牽頭組織。這是一個運營能源問題，我們必須將其作為一項服務來解決。為飛機、船舶和車輛提供燃料以及滿足軍隊的舒適性和計算需求的能力，可以説是整個物流鏈中最關鍵的部分。」他強調説，這「將成為大國競爭中的勝利保證」。　　美國空軍對Z-5提出的具體設計目標是：　　Jet Zero公司的Z-5翼身融合驗證機，需要完成其配置承諾，即相比C-17運輸機減少30%的燃油消耗，以及比KC-46加油機增加60%的航程以及運輸能力。　　但在第一階段的測試工作中，翼身融合驗證機將先不配備加油系統與貨運坡道，並分別與KC-46和C-130的原型機開展競賽，以測試其能否達到美國空軍的預定目標。　　美國空軍在8月16日的一份新聞稿中表示，「結構設計、材料技術、製造和其他領域」的最新技術進步使得BWB成為可能。」這些進步使得「大規模生產成為可能」。但媒體表示，這架尚未命名的技術演示機既不是原型機，也不是「X飛機」，僅僅為未來貨運和/或加油機的設計提供信息。BWB的未來發展趨勢　　翼身融合飛機經過了30多年的概念研究，正在由概念轉入實際應用。美國空軍的戰略需求，特別是將戰略重點轉到印太戰略方向，加速了BWB由民用向軍用加油機和運輸機的轉化。　　儘管JetZero公司聯合諾格推出的Z-5翼身融合飛機方案是一個原型/演示項目，但它旨在加速研發美國空軍未來需要的下一代大型飛機。　　美國國會持續的預算支持是加速翼身融合飛機研發的重要保證。2023財年，美國國會曾授予美國空軍國防創新單位（DIU）4190萬美元預算，用於啟動翼身融合驗證機項目競標。美國空軍還向國會申請在2024財年為該項目追加8820萬美元預算。預計到2026年，軍方將為該項目投入2.35億美元，這還不算來自私人投資者的更多資金。　　從技術角度分析，翼身融合飛機相比傳統管翼飛機，綜合高展弦比機翼與寬翼型機身的雙重優勢，能夠在機身全跨度上產生升力，同時最大限度減小阻力，使飛機獲得更遠的航程、更長的滯空時間、更有效的運輸載荷。　　但從應用角度來看，先進的概念表述要轉化為實際的工程設計仍面臨極大的挑戰性。儘管各製造商的參與為翼身融合飛機研發積累了龐大的數據和試驗資料，特別是Z-5翼身融合飛機方案具有改裝軍用運輸機和加油機的潛能，但作為驗證項目前期還難以實現軍事用途的改裝。　　不過，美國空軍高層認為，這個項目對於商業行業和國防部來説是雙贏的。為此，美國空軍持續加大投入，並對Z-5提出了具體的設計目標，以期翼身融合飛機能夠加速實現功能化的轉化。　　分析認為，Z-5翼身融合驗證機能否達到美國軍方的預期還有待觀察，但該項決策對美國未來空中運輸力量和戰略支援能力的構成是至關重要的。