未來航空，會是什麼樣？從材料到發動機，從通信到能源動力，人們在猜測，顛覆性的改變會從哪裡發生？一般來說，材料制造是航空發展的基礎，能源動力對飛行器有決定性影響，信息電子將全方位變革傳統航空形態……

1.飛行器發展瞄准高能化、智能化

“雙碳”目標要求民航向綠色低碳方向發展，民用航空將更環保、更安全、更經濟。航空科技發展的總趨勢是高能化與智能化復合發展，高能為“體”，智能為“魂”。高能化是對能量、物質的更多掌控，決定了航空裝備能達到的物理邊界，對飛行高度、航程、速度、機動性等性能指標有直接影響。智能化是對信息域與認知域掌控，決定了航空裝備運用的能力，可以實現更高的效率、更准的決策。

航空高能化主要包括高動能、高供能、高效用能等方面。

高動能，主要對應航空平台的技術革新方向。高速飛行、超機動性、長時間滯空等都是其發展的核心訴求，速度從亞聲速、超聲速到高超聲速，高度從低空、中空到高空、臨近空間，留空時間從數小時、幾十小時至數天等。高動能在航空領域可發揮重要作用，如低聲爆超聲速民機的應用等。

高供能，主要對應航空動力的技術革新方向。大推重比、高燃油效率、高功率提取及新能源體系正成為航空動力系統的主要發展趨勢，包括進排氣的主動流動控制、高壓比壓氣系統、新概念動力系統等相關技術都是目前航空動力研究的熱點方向。此外，電動飛機和氫動力技術也將成為低碳化的前沿領域，為未來民航業創造更大的環保和經濟潛力。

高效用能，主要對應航空機電的技術革新方向。其中，多電/全電技術、全機能量優化、變革性能量傳輸與存儲等將在航空電力電氣系統中發揮關鍵作用，從而大幅提高飛行器的性能水平。

航空智能化的核心在於使飛行器具備自主感知、自主決策、自主執行、自主進化能力。

自主感知使飛行器通過各類傳感器和數據融合完成復雜環境和目標的分類、識別，生成能用於決策的信息﹔自主決策可充分發揮人工智能在信息處理速度和處理量方面的優勢，綜合利用感知信息和決策算法，在各種復雜場景中快速作出利益最大化的決策，實現“機主人輔”甚至“完全自主”﹔自主執行能使人類從下達操作指令轉變到下達任務指令，機器自主進行任務規劃，並在執行過程中實時調整，最終替代人在任務執行中的作用﹔基於“自主遺傳進化”算法，自主進化可使智能飛行器具有生命體特征，認知決策水平可通過不斷學習而實時進化，自主提升能力，以應對全新環境。

應該說，智能化將大幅提高飛行器在不同環境中的感知、決策、執行、學習能力，將為未來航空打開更大的想象空間。

2.超材料、智能結構或將帶來顛覆性改變

航空領域素有“一代材料一代裝備”的說法，可見材料屬性對飛機性能至關重要。另外，航空工業本質上是高端裝備制造業，制造技術對於實現穩定的大規模批產舉足輕重。隨著技術的發展，航空工業正邁入材料、制造一體化時代，也使材料制造領域成為涌現顛覆性技術的重要來源。

超材料是一種通過人為設計內部結構，實現超常物理性能的人造材料，其基本結構單元尺度小於它作用的波長，從而可控制光波、無線電波和機械波傳播，典型超材料包括左手材料、光子晶體及聲子晶體等。

左手材料是一種可調控電磁波的電磁超材料，其介電常數和磁導率皆為負值，具有負折射、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射和亞波長衍射等特性﹔光子晶體是一種可控制光子流動的光學超材料，用於光纖、微帶天線及濾波器等，具有低損耗、大帶寬、高增益等性能﹔聲子晶體是一種可調控彈性波傳播的機械/聲學超材料，其帶隙可抑制彈性波在一定頻率范圍內不能傳播，可實現減震和降噪。

超材料技術實現了功能到結構的逆向設計，對航空領域可能產生諸多潛在的顛覆性影響：

——構造能實現完美隱身的超材料“隱身斗篷”和超材料吸波體，大幅提高飛行器的隱身性能﹔

——制造小型射頻天線和超分辨率成像系統，有效強化探測跟蹤能力﹔

——將平面傳輸天線與超材料耦合設計，可提高天線輻射效率並縮小尺寸，推動航空裝備微波射頻組件的小型化、集成化發展。

智能結構技術將傳感器、驅動器和控制元件集成到基體材料中，實現自診斷、自適應和自修復等功能，是未來先進飛行器的發展方向之一，主要研究方向為智能蒙皮和自適應變體結構等。

智能蒙皮將幾千個尺寸僅有米粒大小具有感知、處理和通信能力的微型計算系統植入材料內部，協同感知周邊環境，從而調控過熱和超應變區域，或調節內部電磁參量，降低電磁散射信號實現隱身功能。智能蒙皮將功能組件與結構相集成，具備無線電探測、能量存儲等功能，在減輕重量、節省空間、提高飛行器隱身性能等方面具有很大潛力。

自適應變體結構通過感知飛行器飛行環境和姿態變化，經處理機運算決策后閉環控制飛行器結構局部或整體連續光滑變形，使飛行器保持最優性能和氣動效率，實時適應多種飛行環境和任務需求。

總的來說，智能結構對航空領域可能產生三個潛在顛覆性影響：第一、機翼自適應結構變形可進一步減阻降噪，提高飛行經濟性﹔第二、採用智能結構的高速飛行器可感知高溫區域並進行外形自適應和材料自修復，有效解決“熱障”問題，降低熱防護設計難度﹔第三、採用智能隱身材料可進一步提高隱身性能，提升飛行器生存能力。

3.發動機和燃料的變革，或將深刻改變未來航空

發動機和燃料可看作飛機的心臟和血液，該領域的顛覆性發展將深刻變革未來航空形態。

可持續航空燃料（SAF）的應用被認為是最具潛力的技術。SAF是指可再生、使用過程中對環境影響較小的航空燃料，具有碳排放少、降低對石油等不可再生能源的依賴，促進經濟發展等優點，主要分為生物質燃料、合成燃料、電能和氫燃料四種。限於生產成本高、生產規模小、存儲運輸困難等問題，目前可持續航空燃料尚未得到廣泛應用。

可持續航空燃料技術對助力碳達峰碳中和目標、增強能源安全具有不可替代的作用，可實現航空動力系統的重大變革。未來民用航空動力系統通過使用可持續燃料作為渦輪發動機燃料，或直接使用燃料電池為飛機提供動力，將大幅降低航空業碳排放。

自適應變循環發動機是通過調節發動機涵道比和總壓比等熱力循環參數，在高推力和高燃油效率模式間自動轉換的下一代渦扇發動機。自適應變循環發動機經濟性能佳、工作范圍廣，它可滿足多種性能需求，使未來飛行器呈現多任務和多用途發展趨勢。同時，可在多種飛行器上共享發動機技術，應用基准發動機衍生出系列發動機，擴大發動機適用范圍並降低研發成本。

旋轉爆震發動機（RDE）以爆震形式增壓燃燒。爆震波在傳播過程中實現了激波和燃燒波的耦合，燃燒速度快，波后壓力、密度顯著提高。這種發動機具有結構簡單、比沖和效率高、工作域寬等優點。有研究認為，旋轉爆震發動機相比現役渦輪發動機熱效率理論上可提高15%。除自身單獨作為動力裝置外，旋轉爆震發動機還可與渦輪發動機、沖壓發動機和火箭發動機組合，提升原動力裝置性能。

旋轉爆震發動機已成為未來航空動力領域最具潛力的變革者之一，應用前景廣闊，對未來航空領域而言，在前期可作為動力系統，推動無人飛行器向小型化、遠航程方向發展﹔在后期可單獨或作為組合動力系統應用在中大型飛行器上，提高推重比、降低油耗、提高經濟可承受性。

4.量子信息、5G、大數據，賦能航空技術

近年來，隨著人工智能技術研究進入第三波浪潮，量子信息、5G、大數據等取得突破，使該領域迅速成為炙手可熱的研究方向，也成為重要的航空賦能技術來源地。

腦機交互，也稱腦機接口（BCI）技術在航空領域存在巨大應用價值，世界各國都在積極研究。2013年美國明尼蘇達大學實現人類首次用腦電波控制四軸遙控飛機﹔2014年5月德國“腦飛行”計劃實現飛行員用大腦精准操控飛行。

腦機接口技術能創造出新型的飛行器控制方式。或許，未來航空領域能實現由大腦直接控制飛行器，減少或完全替代肢體操作，極大改變傳統人機界面。或許，未來航空領域能借鑒人腦構造和運行，開發全新信息處理系統，賦予航電系統新的功能和形態。或許，未來能與虛擬現實技術結合，應用於飛行模擬訓練中，能有效降低訓練成本並提高訓練的安全性。

近些年，量子信息技術在理論和實驗上都取得長足進步。在理論上，掌握了量子錯誤修正碼等更先進的理論，極大提高了量子計算的容錯率﹔在實驗上，各國投入大量資源進行研發。量子信息技術將全方位變革傳統航空電子形態。例如，量子計算超常規算力不但可實現飛機研發優化，還可加速人工智能算法訓練與執行，提升體系指揮決策效能﹔再比如，量子通信可提供高速保密通信保障，基於量子陀螺的慣性導航能大幅提高航空飛行器的自主導航精度，量子計量可為航空計量體系的建立提供重要支撐。

多學科交叉領域是涌現顛覆性技術的重要源泉，而跨學科、跨領域的集成創新同樣也是航空領域的特色，這使一批航空顛覆性技術體現出了交叉融合創新的特點。

我國航空工業經過幾十年發展，取得了輝煌成就。進入新時代，顛覆性技術的探索研究和產業化是實現航空強國的重要依托，同時也是一項極其復雜的系統工程，需要以戰略眼光謀劃布局，以戰略定力推動發展。加強原始創新是新時代實現航空領域高水平發展的必由之路，以顛覆性技術為牽引是新時代航空領域實現換道超車的重要抓手，需要主動開展航空顛覆性技術的掃描、識別與預測，牢牢把握未來航空發展脈搏。

（作者：樊會濤，系中國工程院院士、中國航空工業集團有限公司研究員）

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