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一直以来，喷气式民用客机在带来巨大经济价值与社会价值的同时，也带来了噪音与污染物排放等环境困扰。数十年来，如何最大程度地降低喷气客机对环境的不利影响，驱动着大型民用客机技术的发展。
目前，全球大型客机的气动布局逐步趋于统一，其主要特征是圆筒形机身、大展弦比机翼、水平尾翼与垂直尾翼、发动机安装于机翼下或机身尾部。这种布局形式称为常规气动布局，应用时间已持续60余年。
相关研究表明，采用常规气动布局的大型客机尽管在节能降噪方面取得了显著成效，但综合性能的提升已几乎接近极限。要进一步大幅降低大型客机对环境的不利影响，必须研究具有突破性意义的新技术和新材料。其中，大型客机的新气动布局就是业界努力的重要方向之一。
运力倍增的压力
近20年来，在飞机制造商、运营商、机场、政府部门等有关方面的共同努力下，大型客机在节能降噪方面取得了显著进步，如感觉噪音降低幅度超过75%、油耗与相关C02排放下降幅度超过70%。
尽管取得了不错的成绩，但前景依然不容乐观。根据国际航空运输协会（IATA）的预测，未来20年，全球航空客运量将增加一倍；到2050年，全球航空客运量将达到160亿人次，是2010年的7倍。
航空客运量的倍增将对环境产生巨大压力。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，2050年，航空业碳排放量在人为碳排放所占比重将从目前的2%上升到3%。
为应对航空客运量快速增长的挑战，全球多个国家与组织先后制定了降低航空污染物排放的目标和行动方案。
在美国国家航空航天局（NASA） 2006年发布的“N+2”（2025）和“N+3”（2030～2035）代飞机发展目标中，对污染物排放与降噪提出了明确目标。如在“N+3”代飞机技术指标中，油耗降低60%。
欧洲航空研究咨询委员会（ACARE）在2001年发布的“愿景2020”中提出的目标是：到2020年，大型客机的油耗与感觉噪音降低50%，起飞和着陆阶段氮氧化物排放降低80%。
由于波音和空客均放弃研制全新一代窄体客机，使得“愿景2020”的目标无法实现。为此，ACARE在2011年发布“航迹2050”，取代了“愿景2020”。在新计划中，到2050年，大型客机的发展目标是：油耗降低75%，感觉噪音降低65%，氮氧化物排放降低90%。
上述雄心勃勃的发展目标，对大型客机的新技术和新材料研发提出了极高的要求。就飞机的气动布局而言，采用常规气动布局的大型客机综合性能提升已几乎接近极限，不能成为实现上述宏伟目标的解决方案，需要研究新的气动布局来应对挑战。
非常规气动布局
目前，国外飞机制造商和研究机构提出的j}常规气动布局多达数十种，如三翼面布局、双翼飞机、斜翼机、连翼、C型翼、双气泡布局、飞翼、前掠翼、翼身融合体、斜拉翼、变体飞机等。其中，翼身融合体、斜拉翼和变体飞机是目前业界关注度最高、油耗与污染物排放降低潜力较大的非常规气动布局。
一、翼身融合体
翼身融合体（BWB）布局是指机翼平滑地融合进入平宽的、无尾翼机身。它与飞翼布局类似，但同时吸收了常规布局的特征，机翼与机身作为一个整体来设计，两者的平面形状和剖面形状完全融为一体。
BWB概念的初衷是通过将发动机、机翼以及机体集成融合为一个升力面来最大化地提升飞机的综合效率。这一想法最早由麦克唐纳·道格拉斯公司提出，并在部分军用飞机上进行实际应用，如美国著名的B2和YB2轰炸机。
与常规气动布局相比，BWB具有更轻的结构重量、更高的升阻比、更大的内部装载空间和更低的燃油消耗等显著优势。尤值一提的是，它的减噪优势极其突出。由于具备较大的结构空间，BWB可以提供比常规布局飞机大得多的噪音屏障。NASA研究发现，仅应用BWB就可获得10%的燃油节省，而BWB的噪音比圆筒机翼飞机低37dB。
BWB的优势已使它在解决NASA的“N+3”目标中的一些关键挑战方面非常具有吸引力。因此，该技术得到了美国、英国、法国以及俄罗斯等航空强国的高度重视。如NASA与波音联合开展的X48项目，空客牵头17个组织历时3年开展了VELA项目，俄罗斯中央流体研究院与波音和空客合作，共同开展对BWB的概念性设计研究等。
其中，最受业界关注的是X48项目。X48项目历时15年，研制了X48B和X48C两款无人驾驶验证机，并进行了长达6年的飞行试验。其中，X48B在2007～2010年飞行92个架次，X48C在2012～2013年飞行30个架次。这些飞行试验主要用于评估低噪音版本的概念型BWB的稳定性与控制性。
通过该项目，NASA不仅建立了BWB从地面到飞行的完整数据库，验证了BWB在整个飞行包线的低速控制能力，并证明BWB具有满足NASA有关未来飞机设计环境目标的潜力。波音目前仍在开展BWB技术研究，未来有望发展一种大尺寸跨声速BWB验证机。
二、斜拉翼
斜拉翼（ SBW）是指在机翼下方安装支撑梁的特殊机翼结构布局。通过采用这种结构支撑，可减少机翼厚度和后掠，从而在不增加结构重量的情况下增大翼展，进而提高升力，还可以减少发动机尺寸。此外，由于支撑梁的卸载作用，能够有效地减小机翼的弯曲变形，缓和机翼的根部受载，对于机翼结构的减重具有显著作用。
SBW也不是新概念，其开创者和实践者是法国的于雷尔·迪布瓦公司。该公司在20世纪50～60年代间研制了包括HD-10、HD.31、HD.32、HD.321、HD.34等5款采用SBW技术的民用飞机。
进入21世纪后，为研制油效更高、排放更低的大型客机，SBW重新受到研究机构和主制造商的关注。在NASA的“N+3”项目支持下，波音、洛克希德·马丁、弗吉尼亚理工大学等企业和研究机构开展了长达十数年的合作研究，并从最初应用于777尺寸大小的远程宽体客机转移到应用于737尺寸大小的中短程窄体客机上。 NASA和波音对SBW的应用前景充满自信，认为可作为2030年左右服役的下一代全新客机的选择方案。有关机构的研究表明，即使采用目前的发动机，737尺寸大小的SBW飞机仍可节省5%～10%的燃油，如果结合混合动力以及其它先进技术，就可满足NASA的“N+3”计划中的油耗目标。
三、变体飞机
变体飞机是从仿生学的角度提出的，指飞机在飞行过程中根据任务和环境变化自主地改变气动外形。它在降低环境影响、减少阻力与油耗、提高运行效率、增加航程、降低噪音以及扩大飞机飞行包线等许多方面均具有较大的潜力。
早期针对变体飞机的研究主要集中在机翼变形方面，应用最多的是变后掠机翼。首款在飞行中变化后掠翼的飞机是1952年由贝尔飞机公司研制的X-5，通用动力公司研制的F-III是第一种投产的变后掠翼飞机。
目前，业界有关变体飞机研究的重点集中在实用性方面。例如，由美国空军、NASA和波音联合开展的主动气动弹性机翼项目。该研究的目的是在全尺寸有人驾驶的超音速飞机上，验证通过气动诱导机翼扭转的飞机的滚转操纵性能。
美国国防先进研究项目局（DARPA）联合多家飞机制造商开展的变体飞机结构项目重点是研究实现大尺寸飞机飞行中变体的技术可行性。
新一代航空技术公司也开发了飞行中的变体概念，并在2007年10月进行了自主变形飞行试验。该公司宣称，铰接结构和柔性蒙皮能使机翼面积改变40%，翼展改变73%，变形机翼可实现机翼面积和后掠角分别改变，以获得不同飞行时段的最优构型。
有关变体结构在民用飞机上进行实践研究走在最前沿的是NASA、美国空军实验室以及美国柔性系统公司。三家机构就变体飞机进行联合研究已近20年，并在自适应柔性后缘项目（ACTE）中研制出先进的、可变形襟翼（可形成连续的、柔性的、可扭转的操纵面），并改装在一架湾流III公务机上，于2014年11月6日进行了首次试飞。
主要技术难点
IATA曾经联合全球多家飞机制造商、航空公司、政府机构、航空技术研究机构等对BWB、SBW、变体飞机三种布局技术发展现状与应用时间进行了预测。
目前，BWB的技术成熟度最高，预计技术应用时间将最早，油耗降低潜力也可能最大，被业界广泛认为是最有发展前景的一种非常规布局。
BWB的发展路径可能是首先用于军用飞机，然后是货机，最后是大型客机。BWB目前虽然已在军用飞机上得到应用，但要应用于大型客机还面临高速气动力学、推力集成以及非圆形受压客舱等技术难题。
稳定性与飞行品质是发展BWB面临的重要挑战，需要更高级的飞行控制系统来控制飞机在各种条件下的飞行。其它方面的挑战还包括：给远离中心线位置的乘客造成的法向过载、应急撤离规章限制等。
SBW目前的技术成熟度水平相对最低，但具有较好的商业应用前景，由于除了增加一个支撑梁和机翼安装位置更高外，在外形上与常规布局的飞机几乎没有区别。
因此，与其它外形变化更为激进的非常规气动布局相比，SBW更有可能得到公众与机组人员的支持，尤其是对飞行有恐惧的人群的支持。
未来，应用SBW布局的大型客机极可能拥有超大的翼展，可能会采用类似于波音777的折叠式机翼方案，更适合在远程航线上运营。然而，制造和维护超大翼展的机翼存在大量未知数和不确定性，而机翼折叠结构所带来的额外重量将会影响到油效。
从目前的研究进展来看，变体飞机的技术难度相对最大，所涉及的专业技术领域最广泛，如空气动力学、结构、强度、材料、智能控制、电子设备等。
该技术的主要难点包括智能材料研制、总体及气动协调设计、智能机翼结构、变体控制设计等。相关结构的重量与复杂性将影响该技术在民用飞机上的应用。因此，变体结构在军用飞机上的应用程度可能要高于民用飞机。然而，一旦变体结构相关技术发展成熟，将对整个航空产业带来革命性影响。
未来发展前景
未来，民用飞机的气动布局极可能将不再是目前全球近乎统一的布局形式，而是呈现出多样化发展的局面。随着技术的发展，很有可能出现全新的布局形式。
目前，飞机制造商和研究机构对未来飞机气动布局的认识尚未达成一致，如发动机的数量与安装位置、是否需要尾翼等，尤其是变体飞机，其气动布局形式更加多样化。不同的非常规气动布局将会导致民用飞机在巡航速度、航程、噪音、经济性等方面存在较大差别。
要实现未来民用飞机综合性能的巨大提升，不能仅仅着眼于单项技术的突破。民机非常规气动布局的成熟应用更加依赖于多学科协同发展与跨学科交叉，如空气动力学、结构、强度、航电系统、飞行控制、计算机、通信、材料、制造、动力系统等。同时，需要相关基础学科的发展与突破。
目前，全球大型客机的气动布局逐步趋于统一，其主要特征是圆筒形机身、大展弦比机翼、水平尾翼与垂直尾翼、发动机安装于机翼下或机身尾部。这种布局形式称为常规气动布局，应用时间已持续60余年。
相关研究表明，采用常规气动布局的大型客机尽管在节能降噪方面取得了显著成效，但综合性能的提升已几乎接近极限。要进一步大幅降低大型客机对环境的不利影响，必须研究具有突破性意义的新技术和新材料。其中，大型客机的新气动布局就是业界努力的重要方向之一。
运力倍增的压力
近20年来，在飞机制造商、运营商、机场、政府部门等有关方面的共同努力下，大型客机在节能降噪方面取得了显著进步，如感觉噪音降低幅度超过75%、油耗与相关C02排放下降幅度超过70%。
尽管取得了不错的成绩，但前景依然不容乐观。根据国际航空运输协会（IATA）的预测，未来20年，全球航空客运量将增加一倍；到2050年，全球航空客运量将达到160亿人次，是2010年的7倍。
航空客运量的倍增将对环境产生巨大压力。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，2050年，航空业碳排放量在人为碳排放所占比重将从目前的2%上升到3%。
为应对航空客运量快速增长的挑战，全球多个国家与组织先后制定了降低航空污染物排放的目标和行动方案。
在美国国家航空航天局（NASA） 2006年发布的“N+2”（2025）和“N+3”（2030～2035）代飞机发展目标中，对污染物排放与降噪提出了明确目标。如在“N+3”代飞机技术指标中，油耗降低60%。
欧洲航空研究咨询委员会（ACARE）在2001年发布的“愿景2020”中提出的目标是：到2020年，大型客机的油耗与感觉噪音降低50%，起飞和着陆阶段氮氧化物排放降低80%。
由于波音和空客均放弃研制全新一代窄体客机，使得“愿景2020”的目标无法实现。为此，ACARE在2011年发布“航迹2050”，取代了“愿景2020”。在新计划中，到2050年，大型客机的发展目标是：油耗降低75%，感觉噪音降低65%，氮氧化物排放降低90%。
上述雄心勃勃的发展目标，对大型客机的新技术和新材料研发提出了极高的要求。就飞机的气动布局而言，采用常规气动布局的大型客机综合性能提升已几乎接近极限，不能成为实现上述宏伟目标的解决方案，需要研究新的气动布局来应对挑战。
非常规气动布局
目前，国外飞机制造商和研究机构提出的j}常规气动布局多达数十种，如三翼面布局、双翼飞机、斜翼机、连翼、C型翼、双气泡布局、飞翼、前掠翼、翼身融合体、斜拉翼、变体飞机等。其中，翼身融合体、斜拉翼和变体飞机是目前业界关注度最高、油耗与污染物排放降低潜力较大的非常规气动布局。
一、翼身融合体
翼身融合体（BWB）布局是指机翼平滑地融合进入平宽的、无尾翼机身。它与飞翼布局类似，但同时吸收了常规布局的特征，机翼与机身作为一个整体来设计，两者的平面形状和剖面形状完全融为一体。
BWB概念的初衷是通过将发动机、机翼以及机体集成融合为一个升力面来最大化地提升飞机的综合效率。这一想法最早由麦克唐纳·道格拉斯公司提出，并在部分军用飞机上进行实际应用，如美国著名的B2和YB2轰炸机。
与常规气动布局相比，BWB具有更轻的结构重量、更高的升阻比、更大的内部装载空间和更低的燃油消耗等显著优势。尤值一提的是，它的减噪优势极其突出。由于具备较大的结构空间，BWB可以提供比常规布局飞机大得多的噪音屏障。NASA研究发现，仅应用BWB就可获得10%的燃油节省，而BWB的噪音比圆筒机翼飞机低37dB。
BWB的优势已使它在解决NASA的“N+3”目标中的一些关键挑战方面非常具有吸引力。因此，该技术得到了美国、英国、法国以及俄罗斯等航空强国的高度重视。如NASA与波音联合开展的X48项目，空客牵头17个组织历时3年开展了VELA项目，俄罗斯中央流体研究院与波音和空客合作，共同开展对BWB的概念性设计研究等。
其中，最受业界关注的是X48项目。X48项目历时15年，研制了X48B和X48C两款无人驾驶验证机，并进行了长达6年的飞行试验。其中，X48B在2007～2010年飞行92个架次，X48C在2012～2013年飞行30个架次。这些飞行试验主要用于评估低噪音版本的概念型BWB的稳定性与控制性。
通过该项目，NASA不仅建立了BWB从地面到飞行的完整数据库，验证了BWB在整个飞行包线的低速控制能力，并证明BWB具有满足NASA有关未来飞机设计环境目标的潜力。波音目前仍在开展BWB技术研究，未来有望发展一种大尺寸跨声速BWB验证机。
二、斜拉翼
斜拉翼（ SBW）是指在机翼下方安装支撑梁的特殊机翼结构布局。通过采用这种结构支撑，可减少机翼厚度和后掠，从而在不增加结构重量的情况下增大翼展，进而提高升力，还可以减少发动机尺寸。此外，由于支撑梁的卸载作用，能够有效地减小机翼的弯曲变形，缓和机翼的根部受载，对于机翼结构的减重具有显著作用。
SBW也不是新概念，其开创者和实践者是法国的于雷尔·迪布瓦公司。该公司在20世纪50～60年代间研制了包括HD-10、HD.31、HD.32、HD.321、HD.34等5款采用SBW技术的民用飞机。
进入21世纪后，为研制油效更高、排放更低的大型客机，SBW重新受到研究机构和主制造商的关注。在NASA的“N+3”项目支持下，波音、洛克希德·马丁、弗吉尼亚理工大学等企业和研究机构开展了长达十数年的合作研究，并从最初应用于777尺寸大小的远程宽体客机转移到应用于737尺寸大小的中短程窄体客机上。 NASA和波音对SBW的应用前景充满自信，认为可作为2030年左右服役的下一代全新客机的选择方案。有关机构的研究表明，即使采用目前的发动机，737尺寸大小的SBW飞机仍可节省5%～10%的燃油，如果结合混合动力以及其它先进技术，就可满足NASA的“N+3”计划中的油耗目标。
三、变体飞机
变体飞机是从仿生学的角度提出的，指飞机在飞行过程中根据任务和环境变化自主地改变气动外形。它在降低环境影响、减少阻力与油耗、提高运行效率、增加航程、降低噪音以及扩大飞机飞行包线等许多方面均具有较大的潜力。
早期针对变体飞机的研究主要集中在机翼变形方面，应用最多的是变后掠机翼。首款在飞行中变化后掠翼的飞机是1952年由贝尔飞机公司研制的X-5，通用动力公司研制的F-III是第一种投产的变后掠翼飞机。
目前，业界有关变体飞机研究的重点集中在实用性方面。例如，由美国空军、NASA和波音联合开展的主动气动弹性机翼项目。该研究的目的是在全尺寸有人驾驶的超音速飞机上，验证通过气动诱导机翼扭转的飞机的滚转操纵性能。
美国国防先进研究项目局（DARPA）联合多家飞机制造商开展的变体飞机结构项目重点是研究实现大尺寸飞机飞行中变体的技术可行性。
新一代航空技术公司也开发了飞行中的变体概念，并在2007年10月进行了自主变形飞行试验。该公司宣称，铰接结构和柔性蒙皮能使机翼面积改变40%，翼展改变73%，变形机翼可实现机翼面积和后掠角分别改变，以获得不同飞行时段的最优构型。
有关变体结构在民用飞机上进行实践研究走在最前沿的是NASA、美国空军实验室以及美国柔性系统公司。三家机构就变体飞机进行联合研究已近20年，并在自适应柔性后缘项目（ACTE）中研制出先进的、可变形襟翼（可形成连续的、柔性的、可扭转的操纵面），并改装在一架湾流III公务机上，于2014年11月6日进行了首次试飞。
主要技术难点
IATA曾经联合全球多家飞机制造商、航空公司、政府机构、航空技术研究机构等对BWB、SBW、变体飞机三种布局技术发展现状与应用时间进行了预测。
目前，BWB的技术成熟度最高，预计技术应用时间将最早，油耗降低潜力也可能最大，被业界广泛认为是最有发展前景的一种非常规布局。
BWB的发展路径可能是首先用于军用飞机，然后是货机，最后是大型客机。BWB目前虽然已在军用飞机上得到应用，但要应用于大型客机还面临高速气动力学、推力集成以及非圆形受压客舱等技术难题。
稳定性与飞行品质是发展BWB面临的重要挑战，需要更高级的飞行控制系统来控制飞机在各种条件下的飞行。其它方面的挑战还包括：给远离中心线位置的乘客造成的法向过载、应急撤离规章限制等。
SBW目前的技术成熟度水平相对最低，但具有较好的商业应用前景，由于除了增加一个支撑梁和机翼安装位置更高外，在外形上与常规布局的飞机几乎没有区别。
因此，与其它外形变化更为激进的非常规气动布局相比，SBW更有可能得到公众与机组人员的支持，尤其是对飞行有恐惧的人群的支持。
未来，应用SBW布局的大型客机极可能拥有超大的翼展，可能会采用类似于波音777的折叠式机翼方案，更适合在远程航线上运营。然而，制造和维护超大翼展的机翼存在大量未知数和不确定性，而机翼折叠结构所带来的额外重量将会影响到油效。
从目前的研究进展来看，变体飞机的技术难度相对最大，所涉及的专业技术领域最广泛，如空气动力学、结构、强度、材料、智能控制、电子设备等。
该技术的主要难点包括智能材料研制、总体及气动协调设计、智能机翼结构、变体控制设计等。相关结构的重量与复杂性将影响该技术在民用飞机上的应用。因此，变体结构在军用飞机上的应用程度可能要高于民用飞机。然而，一旦变体结构相关技术发展成熟，将对整个航空产业带来革命性影响。
未来发展前景
未来，民用飞机的气动布局极可能将不再是目前全球近乎统一的布局形式，而是呈现出多样化发展的局面。随着技术的发展，很有可能出现全新的布局形式。
目前，飞机制造商和研究机构对未来飞机气动布局的认识尚未达成一致，如发动机的数量与安装位置、是否需要尾翼等，尤其是变体飞机，其气动布局形式更加多样化。不同的非常规气动布局将会导致民用飞机在巡航速度、航程、噪音、经济性等方面存在较大差别。
要实现未来民用飞机综合性能的巨大提升，不能仅仅着眼于单项技术的突破。民机非常规气动布局的成熟应用更加依赖于多学科协同发展与跨学科交叉，如空气动力学、结构、强度、航电系统、飞行控制、计算机、通信、材料、制造、动力系统等。同时，需要相关基础学科的发展与突破。