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  2. 第3602期   20200915
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欧盟框架计划航空研究投资及未来发展

冯欢欢 刘芳 魏慧丰 吴静敏

  引言

  欧盟框架计划航空研究是一个成功的典范,航空业为欧盟GDP贡献2.8%,创造近570万个就业机会,成为欧盟经济效益和竞争力的主要贡献者。本文首先介绍了欧盟框架计划历史演变,从第一框架计划到目前还在审议的第九框架计划(地平线欧洲计划);其次凝练了欧盟框架计划航空研究组织管理,分成智囊团、政府、管理机构和执行机构;然后统计分析了欧盟框架计划在航空研究方面的投资情况,从开始航空研究的第二框架计划到第八框架计划(地平线2020);最后总结了欧盟航空科技未来发展方向,几乎涵盖航空研究的各个领域。
  欧盟框架计划历史演变
  框 架 计 划(F r a m e w o r k Programme, FP)是欧盟确保全球技术和工业竞争力以解决社会问题的科技创新平台,具有参与国家多、研究水平高、涉及领域广、投资力度大等特点。欧盟议会于1983年通过第一框架计划方案,框架方案的范围最初集中于竞争前研究,现已扩大到涵盖创新进程的所有活动。
  《单一欧洲法案》(1986年)在建立欧洲经济共同体条约中指出,为提高区域竞争力需开展研究工作,为通过接下来的框架计划提供坚实的法律依据。1987年和1990年分别通过了第二框架计划和第三框架计划,其预算均有所增加。1993年正式生效的《马斯特里赫特条约》修改了先前框架计划的法律依据,将其转化为欧盟研究活动的金融工具,它还扩大了可由欧盟开展研究方案的议题范围。第四框架计划和第五框架计划分别于1994年和1998年通过,研究范围相对于之前计划均有所扩大,不再重点开展竞争前研究,而是为了应对区域挑战,支持在创新过程中开展更广泛的研究活动。
  2000年欧洲研究区(ERA)概念的发展标志着框架计划在演变过程中的明显转变,欧洲研究区旨在建设人才、资金和知识等可以自由流动的欧洲单一研发与创新市场,从而保持欧洲科学研究的卓越性,并有效应对气候变化、粮食和能源安全以及公共健康等重大挑战。2002年和2006年分别通过了第六框架计划和第七框架计划,旨在执行欧盟的研究政策和解决欧洲研究领域的碎片化问题。2010年通过了《欧盟2020战略》和《创新联盟旗舰倡议》,使得2013年通过的第八框架计划结构发生了变化,第八框架计划也被命名为地平线2020(Horizon 2020)。在2019年4月17日,欧洲议会批准了关于地平线欧洲(Horizon Europe)的临时协议,也就是第九框架计划,但100亿欧元的2021~2027多年预算在2020年2月21日举办的欧盟财政预算峰会上没有达成共识,导致该计划将被推迟。框架计划从起初在一些限定领域通过合作和加强技术发展支持欧洲产业竞争力的计划逐渐演化为一个巨大工具来支持和协调欧洲区域的科学研究和产业技术发展。
  欧盟框架计划航空研究
组织管理
  欧盟框架计划航空研究组织管理总结如图1所示,可以分为智囊团、政府、管理机构和执行机构,具体描述如下:
  1.智囊团:欧洲航空研究咨询委员会负责制定欧盟在航空研究和技术开发领域的战略、规划和计划,欧洲航空研究协会、欧洲航空科技研究组织、欧洲安全研究咨询委员会、欧洲航空航天学会理事会、航空中小型企业委员会、欧洲航空航天和国防工业协会、欧洲航空科学网、欧洲航空安全局、国际航空研究论坛等航空组织为欧洲航空研究咨询委员会制定航空研究和技术开发领域的战略、规划和计划提供支撑。
  2.政府:欧盟理事会、欧洲议会和欧盟委员会属于高层,共同掌舵欧盟科技发展全局,各司其职,欧盟理事会是决策机构,根据不同领域设立10个理事会,由竞争力理事会负责欧盟内部市场、产业、科研和空间四个领域,欧盟科技政策一般由各成员国科技部长在欧盟竞争力理事会上投票决定;欧洲议会是立法机构,下设22个常设委员会,其中,工业、科研和能源常设委员会负责科技领域立法和质询,并会同欧洲理事会共同决策;欧盟委员会是执行机构,欧盟科技计划的组织实施与管理由欧盟委员会负责,欧盟委员会现有委员27名,选举周期为五年。
  3.管理机构:科研与创新总司是欧盟委员会实施其科技与创新战略的主要职能部门,欧盟的科技战略制定、主要研发计划部署和重要改革举措均由该组织实施;联合研究中心是欧盟委员会的科学和知识服务机构,聘请科学家进行研究,以便为欧盟政策提供独立的科学建议和支持;通信网络内容和技术总局负责开发数字单一市场,实现经济智能、可持续和包容性增长的战略。图|2 FP2-FP8航空研究经费投量。
  4.执行机构:欧洲研究理事会执行局是管理欧盟研究计划;中小企业执行局是为创新、能源效率、环境和海事领域的项目提供资金支持,其中特别关注中小企业;研究执行局是研究和创新的资助机构,管理欧盟的研究资助;创新与网络执行局管理运输、能源和电信领域的欧盟基础设施和研究计划,航空研究项目就归其管理。
投资情况
  1973年由三个国家政府协商成立欧洲航空科技研究组织(GARTEUR),到目前为止已有7个国家通过各自航空航天研究机构加入了该组织——法国、德国、意大利、荷兰、西班牙、瑞典和英国。欧洲航空科技研究组织通过单独国家预算为军用、民用和军民两用开展了大量关于航空研究方面的合作研发项目。
  1987年,来自七个国家的九家欧洲飞机制造商对研究和技术的未来需求进行了研究。从整个欧洲层面上明确航空研究最早是在1989年的第二框架计划中以先导计划的形式提出,航空研究作为先导计划一直持续到第四框架计划,从第五框架计划开始成为单独研究类别。航空研究在欧盟框架计划获得了持续投入,目前已发展到地平线欧洲计划。欧盟框架计划航空研究经费投量变化是其战略方针的“风向标”,经费投量变化具体如图2所示,其分别占欧盟框架计划总经费和欧盟GDP比例如图3所示,欧盟GDP的值为欧盟框架计划经费批准财年数据。
  从图2和图3可以看出:航空研究经费呈稳定增长趋势。从第2框架计划至第8框架计划,航空研究经费从0.35亿欧元增长至23.8亿欧元,增长67倍;航空研究经费占欧盟GDP比例从0.0009%增长至0.0143%,增长15倍。
  航空研究经费占欧盟框架计划总经费比例近两期有所下调。航空研究经费占欧盟框架计划总经费比例处于0.6%至5.5%之间,平均值为3%,总体呈增长趋势,第七框架计划和第八框架计划经费比例分别相对于前一期下降36%和11%,但仍高于平均水平。航空科技未来发展方向
  欧盟在框架计划中关于航空研究经费及其占欧盟GDP比例均稳定增长,以此维持欧盟世界行业领导者地位和服务社会需求。欧盟框架计划在航空研究方面是一个成功的典范,成功建设一个合作、共享、共赢的研究平台。航空业为欧盟GDP贡献2.8%,创造近570万个就业机会,成为欧盟经济效益和竞争力的主要贡献者。从欧盟第二框架计划到第八框架计划,航空研究涵盖所有主要航空学科(发动机、空气动力学、材料、结构、飞机系统、航电和飞控)的大量技术,在大型客机、公务机、旋翼机和小型航空运输机上都得到广泛应用。2020年已是地平线2020计划的收官之年,也是新计划地平线欧洲的决策之年,新计划的开展仍然是为了确保欧盟航空业在世界领先地位,为了让世界能够认可其具有创新、可持续和高度竞争力的飞机、航空发动机、系统和服务。欧盟航空科技未来发展方向主要体现在以下几个方面:
  1.新概念、新构型飞机
  (1)混合动力推进飞机研究直流配电架构的优缺点,提出了一种切实可行的技术路线图;建立兆瓦级试验装置,具备模拟不同类型发电机和负载(它应该具备模块化、图|3| FP2-FP8航空研究经费分别占欧盟框架计划总经费和欧盟GDP比例。可扩展、通用和灵活等特点);以数字方式控制功率转换器的效率并优化功率拓扑结构、调制技术和数字控制(考虑航空规范、热损失、重量、尺寸和电磁兼容性问题);测试和提高固态断路器装置的能力;研究和解决飞机内部电弧现象所带来的问题。
  (2)新型边界层抽吸机身在机身后端安装发动机可以吸收机身边界层提高飞机整体推阻特性,进一步在风洞试验、地面演示和飞行试验方面开展额外的多学科研究和试验验证,以确定在预测燃油效率改善方面的效果。
  (3)先进机翼1)盒式翼飞机继续开展欧盟资助项目FARSIFAL后续研究工作,该项目针对盒式翼使用ONERA高保真代码评估气动性能改善潜力。
  2)超高纵横比支柱支撑翼和桁架支撑翼
  针对采用超高纵横比支柱支撑翼和桁架支撑翼可以降低诱导阻力,进一步开展关于这种轻型机翼气动性能的数值优化和试验验证研究。
  2.推进系统
  (1)电动和混动推进技术飞行适用性技术:能量供应和存储的新型电池和燃料电池概念,人类安全解决方案(电磁性),高压技术(例如配电电缆和系统保护),其他应用领域已开发的解决方案在航空应用中兼容性技术。
  新架构和标准:为了最小化电气系统的重量,需要新的架构和新的电气网络标准。
  电气化研究新方法:需要新的方法和工具,以允许全球电气系统优化,包括考虑电磁兼容性、重量和成本,在此可利用多学科方法和工具实现可观的效益。
  (2)先进涡轮风扇发动机通过对超高效率涡轮风扇发动机的持续发展,可以在短期至中期内实现可观的环境效益。在快速演化发展中,可提供增量改进的技术包括可变螺距风扇、改进的动力齿轮箱(PGBS)、贫油燃烧室、通过设计创新和材料开发实现减重(例如,在发动机的低/中温模块以及暴露于超高温的部件)。此外,开发用于存储飞机上的非推进能量的新技术,进一步优化动力输出以及解决超高涵道比发动机研制带来的集成问题(例如,关于新一代短舱的声学处理)。
  (3)开式转子燃气涡轮发动机开式转子发动机结构在改进耗油率方面显示出相当大的潜力,优于传统的涡轮风扇发动机。然而,为了量化在飞机平台上的优势,需要开展详细的机体-发动机集成研究以确定开式转子的最佳配置,考虑到塔架设计、机体屏蔽和噪声等。
  (4)抗畸变发动机技术尽管认为边界层抽吸技术不属于发动机技术,但是由于需要在边界层中吸入缓慢的空气,所以会改变风扇和压气机的机械和气动设计,要考虑的设计问题包括气流畸变和质量流量降低。
  (5)替代燃料低温燃料(如液化天然气或液态氢)作为飞机推进的候选替代燃料,在减少温室气体排放方面提供了显著的好处。然而,与这些燃料相关的集成和安全挑战是相当大的。每单位体积的低温燃料的能量密度为常规喷气燃料的1/2至1/4,因此,需要新的飞行器结构(如混合翼)来适应增加的油箱体积。鉴于电动和混合动力推进为短途运输使用提供可能的长期解决方案,对于中长途运输使用将需要替代燃料,低温燃料也为非推进能量提供了新的解决方案(如机舱系统)。
  3.优化设计在空气动力学方面,进一步开展进化多目标优化算法和拓扑优化相关研究;在机身方面,考虑壁板屈曲与局部有限元分析相结合作为约束条件开展全局优化设计。此外,在飞机设计初始阶段,开展基于任务的飞机初步优化设计方法研究以进行自适应技术评估,变体结构为设计改进提供了另一种途径,研究使用曲线、倾斜和均匀分布的直加强件的优化设计方法。
  4.空气动力学和流动控制技术空气动力学研究集中在层流概念,洁净天空1计划中BLADE项目证明了在大型客机机翼上自然层流的减阻潜力,今后进一步立足于解决相关的制造、使用和可靠性问题,还有继续研究适用于远程飞机的混合层流机翼的飞行演示技术。主动流动控制装置在解决特定流动问题表现出相当大的潜力,下一步继续研究该技术实现工程应用。
  5.系统为了实现航空运输系统脱碳总体目标,针对系统开展研究与创新主要从减少碳排放和降低使用成本以补偿更昂贵的脱碳技术角度出发。继续开展航电系统的研究涉及技术包括总线技术、传感器和激励器以及用于减轻重量、减小尺寸和降低功耗的能量产生和转化系统。继续研究更成熟的技术、系统和功能来实现飞机使用的新方法,例如:支持单个飞行员驾驶舱的“地平线”技术、飞行器的自主或远程操作技术、与客舱、驾驶舱和航空操作相关系统的更深入集成技术、允许在电路板上使用更少或更便宜的设备来提高操作能力的新方法。继续开展未来系统的关键使能器研究,特别是在混合动力或全电动飞机上可能装备有分布式推进装置,在飞行控制系统中就需要完全不同的方法。此外,还存在一些需要考虑的交叉研究,例如:
  ·数字化领域的使能器(人工智能、机器学习等)
  ·在模拟、验证、确认和认证方面的新能力和新方法
  ·将飞行器建模体系结合气动载荷、结构响应和控制的整体方法
  ·在航电系统中引入高级计算架构·数据安全6.结构开展与先进传感相结合的损伤评估和实时损伤监测的结构数值模拟研究;继续开展结构连接件的疲劳优化设计;开展损伤管理研究,包括损伤预测、损伤容限验证、结构健康监测、自愈合能力、修复等;开展采用多尺度模型(细观力学)实现对实际物理测试之前的机械性能预测研究;开展纤维铺放复合材料结构优化设计研究。
  7.材料和制造继续开展轻质结构材料研究,如复合材料、陶瓷、金属合金等;开展颠覆性材料技术研究,如结构多功能材料、纳米工程材料和适于航空特定需求的电池技术;继续开展以增强材料性能同时考虑保持或降低成本和环境影响的材料研究;继续开展增材制造、低压固化复合材料制造技术、数字化、自动化、成本高效工具、高速加工、质量和连接技术等领域研究。
  8.生态设计尽管正在使用和接受生态设计原则及其工具(如全寿命周期分析),但仍存在着挑战,需要进一步针对统一和标准化的生态设计程序开展相关研究。
  9.客舱设计研究挑战:客舱快速重构、低能量需求、个性化座位娱乐项目、适用于各种智能手机和平板设备的简单连接、舒适性、智能化客舱系统(监视乘客状态的传感器和设备)、驾驶舱与航空公司运行中心信息分享。
  10.飞行运行开展基于飞机和机载系统的飞行轨迹优化设计研究,以减少飞行的净环境影响;开发先进的飞行管理系统,允许进行全空域/地面集成和更高效的飞行指导;针对改善地面操作进行相关研究,比如自主电滑行;开展通过两个或更多飞行器飞行编队以减小阻力的相关研究;开展新飞行控制和飞行管理技术以及使用新的推进系统选项进行降噪等方面研究;针对在空中交通管理系统中不同特性和性能参数以及潜在不同程度可控性的飞机进行集成研究。
  11.减少技术应用时间研究通过在使用环境中演示新概念和对现有飞机进行新技术改造有助于减少技术应用的时间,对飞机的改造需要认证机构、运营商、空中交通管理和机场的早期参与,以评估对所有利益攸关方的影响。
  12.决策支持研究立法和法规在解决气候变化问题时变得越来越重要,新飞机设计驱动因素应转向更直接考虑航空对环境的影响,在今后几十年中应该引入旨在限制航空温室气体排放的新的国家和国际政策。
  结语1983年欧盟第一框架计划获得通过,目前已发展到正在审议的地平线欧洲计划。在框架计划中,航空研究是一个成功的典范,拥有健全的组织管理机构,包括智囊团、政府、管理机构和执行机构,航空研究经费及其占欧盟GDP比例从第二框架计划到第八框架计划均呈稳定增长态势,增长幅度分别达到67倍和15倍。2020年是新计划地平线欧洲的决策之年,为了确保航空业在世界领先地位,欧盟航空科技未来发展几乎包含所有航空研究领域,以继续追求创新、可持续发展和高度竞争力。