未來(lái)的航空業(yè)要更清潔 不是每個(gè)人都相信氣候變化和電力引擎，但全球的航空公司都承諾要停止并逆轉(zhuǎn)碳排放的增長(zhǎng)，以免影響到航空旅行未來(lái)的擴(kuò)張。這一共同承諾正在驅(qū)動(dòng)如今的航空研究并塑造著航空業(yè)的未來(lái)。 隨著航空業(yè)正在奮力保持并加速創(chuàng)紀(jì)錄的效率提升速度以保持并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的航空旅行增長(zhǎng)，業(yè)內(nèi)還在探索能使拉力更小的航空動(dòng)力學(xué)、更輕的結(jié)構(gòu)、更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)、系統(tǒng)電力化、精簡(jiǎn)的運(yùn)作以及打破傳統(tǒng)的配置和推力。 自首批飛機(jī)翱翔天空起，飛機(jī)的效率平均每年提升1%-2%。要實(shí)現(xiàn)歐洲和美國(guó)為研究設(shè)置的長(zhǎng)期目標(biāo)，這一降低油耗及二氧化碳排放的效率必須持續(xù)持續(xù)下去或出現(xiàn)增長(zhǎng)。 但歷史趨勢(shì)以年代為基礎(chǔ)單位呈現(xiàn)。空客于2016年投入市場(chǎng)的空客A320neo的油耗相比其1988年推出的最初款A(yù)320降低了15%，再加上其它技術(shù)的提升，這一數(shù)字到2020年將達(dá)到20%，但整體而言，這個(gè)提升比率還是太低。 根據(jù)現(xiàn)今的產(chǎn)品發(fā)展速度，飛機(jī)制造商們每20到30年能實(shí)現(xiàn)15%到20%的效率提升。歐洲設(shè)置的目標(biāo)是相比2000年的技術(shù)水平，到2050年減少75%的碳排放。 空客A320neo和波音737MAX以及A350和波音787的效率提升大部分歸功于采用了新型的高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商計(jì)劃以每年將效率提升1%的速度進(jìn)入本世紀(jì)20年代。但要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這是不夠的。 研發(fā)前進(jìn)的每一步都來(lái)之不易。普惠在20年內(nèi)投入了100億美元才發(fā)展出PW1000G齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，這比A320最初的引擎V2500的油耗降低了15%。普惠計(jì)劃到在未來(lái)10年左右將油耗再降10%到15%。 但美國(guó)航空航天局（NASA）表示，如果發(fā)動(dòng)機(jī)之外的相關(guān)科技能發(fā)展并應(yīng)用到位，到2025年油耗可以降低50%，到2030年降低60%。這也是著眼長(zhǎng)期的研發(fā)人員探索新飛機(jī)構(gòu)型和動(dòng)力結(jié)構(gòu)的原因。 NASA的研究表明，在采用先進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)和新型發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，如今的圓筒機(jī)身加機(jī)翼設(shè)計(jì)能節(jié)省達(dá)45%的燃油，但要進(jìn)一步提升效率則需要新的思維方式。混合動(dòng)力翼身一體機(jī)、桁架式機(jī)翼、增加升力的機(jī)艙、降低拉力的嵌入式發(fā)動(dòng)機(jī)及邊界層吸-排氣等超高效率設(shè)計(jì)都正在研究中。 保守猜測(cè)，由于更窄、更具彈性的機(jī)翼可通過(guò)主動(dòng)震顫抑制減少拉力，再加上空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)步能實(shí)現(xiàn)自然和混合動(dòng)力層流，因此圓筒機(jī)身加機(jī)翼的設(shè)計(jì)將能持續(xù)作為主流進(jìn)入本世紀(jì)30年代。但要配置更大半徑、更高涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)，飛機(jī)需要非后掠翼布局或?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)安置在機(jī)翼上方。 電動(dòng)推力的研發(fā)正在2座訓(xùn)練機(jī)上展開(kāi)，但空客和NASA認(rèn)為，到2030年，混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)將可能用于驅(qū)動(dòng)100座以下的飛機(jī)。但驅(qū)動(dòng)100座以上的飛機(jī)會(huì)更加困難，實(shí)現(xiàn)更高效率和更低碳排放的關(guān)鍵可能在于采用分布式動(dòng)力，使機(jī)身結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)更緊密地結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)。 最終，航空業(yè)將擺脫石油燃料的束縛。利用可持續(xù)性資源生產(chǎn)的合成式燃油可能會(huì)讓液體燃油再存在幾十年，但要持續(xù)降低碳排放，航空業(yè)最終將需要利用另一種能源。我們希望電池可以實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展并成為航空業(yè)的主流動(dòng)力，或者出現(xiàn)其它可儲(chǔ)存高濃度能源的方式，從而保證航空業(yè)能擁有一個(gè)更清潔的未來(lái)。 未來(lái)的航空業(yè)要更安靜 飛機(jī)的噪聲很大，所以建新機(jī)場(chǎng)要獲審批難于登天，增加或擴(kuò)張跑道有時(shí)需要數(shù)十年的時(shí)間，而在一座繁華都市的市區(qū)保留一個(gè)直升飛機(jī)場(chǎng)需要打一場(chǎng)硬仗。再加上超音速飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和“空中的士”的加入，噪音成了航空業(yè)未來(lái)的最大挑戰(zhàn)之一。 根據(jù)預(yù)測(cè)，世界上的大部分人口將生活在大型城市里，雖然人們的旅行需求在增長(zhǎng)，但機(jī)場(chǎng)未來(lái)承受的地理位置壓力將越來(lái)越大。除非機(jī)場(chǎng)能在不擴(kuò)大影響的情況下增加運(yùn)營(yíng)能力，否則高速火車(chē)或高速地鐵將使航空業(yè)在短途旅行方面沒(méi)有立足之地。 目前，人們對(duì)高效率和低噪音的需求是一致的——更高的涵道比引擎可以同時(shí)降低油耗和噪音，但兩者可能匯合到一條線上。越來(lái)越高的涵道比意味著發(fā)動(dòng)機(jī)短艙將越來(lái)越苗條，因而產(chǎn)生噪音的區(qū)域也越來(lái)越小。而在開(kāi)放轉(zhuǎn)子的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不再需要短艙。 NASA的研究表明，傳統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)布局在降噪方面的提升空間非常有限。渦輪風(fēng)扇越大，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)越安靜，但如果發(fā)動(dòng)機(jī)一直在機(jī)翼下方，那么安靜程度并不能得到大幅提升。NASA預(yù)測(cè)，在最理想的情況下，現(xiàn)在的主流飛機(jī)結(jié)構(gòu)能在未來(lái)10到15年內(nèi)將噪音在第四等級(jí)限制內(nèi)降低20到30分貝。 要使飛機(jī)噪音影響僅在機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)且遠(yuǎn)離居民，噪音降幅必須至少為40到50分貝。除了降低機(jī)身噪音來(lái)源（起降架、縫翼等）或通過(guò)更順暢的升力系統(tǒng)降低噪音外，發(fā)動(dòng)機(jī)可能也必須遠(yuǎn)離地面，這需要一種不同于當(dāng)今飛機(jī)結(jié)構(gòu)的配置。 圓筒機(jī)身加機(jī)翼的設(shè)計(jì)可以通過(guò)調(diào)整使機(jī)身和機(jī)翼起到遮蔽渦扇或發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的作用。NASA的研究顯示，將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙設(shè)置在機(jī)翼上方以及機(jī)身中部的配置可以將噪音減少30到40分貝。而寬機(jī)身的混合動(dòng)力機(jī)翼體能將噪音減少40到50分貝。這種遮蔽配置可能成為使人們接受節(jié)油型開(kāi)放轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。 由于原初設(shè)計(jì)的障礙，直升機(jī)降噪的難度非常大。但旋翼直升機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行使直升機(jī)在降噪方面取得了進(jìn)步。最新一代的直升機(jī)更安靜，到2020年，正在發(fā)展的技術(shù)和程序?qū)⑹乖胍艚档?0分貝并使噪音影響降低50%。但如果要保留市中心的直升飛機(jī)場(chǎng)并使直升飛機(jī)發(fā)揮更大作用，還需要更多進(jìn)步的支撐。 不過(guò)，在不久的未來(lái)，飛機(jī)和直升機(jī)不再是空中噪音的唯一主要來(lái)源。無(wú)人機(jī)的廣泛利用，尤其快遞無(wú)人機(jī)的使用，也將產(chǎn)生大量噪音污染。目前的無(wú)人機(jī)噪音都很大。針對(duì)無(wú)人機(jī)噪音的研究仍處于初步階段，但對(duì)于無(wú)人機(jī)未來(lái)的發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)“隨叫隨到”的新型航空運(yùn)輸來(lái)說(shuō)，這些研究至關(guān)重要。 未來(lái)的航空業(yè)要更快 全球范圍的通訊和商業(yè)駕著信息技術(shù)演進(jìn)之風(fēng)加速發(fā)展，但航空旅行并沒(méi)有變快，相比以前甚至還變慢了。現(xiàn)實(shí)需求和航班速度之間越來(lái)越大的差異是不是意味著超音速飛行即將回歸？ 從波音的高級(jí)執(zhí)行官到新秀企業(yè)家，許多業(yè)內(nèi)人士相信超音速將回到航空業(yè)。但那是什么時(shí)候？新秀企業(yè)Aerion和Boom Technology認(rèn)為就是現(xiàn)在，NASA和波音、灣流等認(rèn)為是在聲爆這個(gè)障礙被消除的時(shí)候，還有一些人認(rèn)為超音速仍然太慢，超高音速飛行才是正真的答案。 妨礙超音速旅行的因素來(lái)自于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面——聲爆、噪音、污氣排放、燃油和成本。1999年，業(yè)內(nèi)稱(chēng)乘客不會(huì)為速度支付高票價(jià)，于是NASA放棄了研發(fā)一款300座、速度為2.4馬赫的越洋超音速飛機(jī)項(xiàng)目。2006年新研究聚焦于將聲爆控制在使飛機(jī)可在陸地上空飛行的程度，這也被認(rèn)為是影響超音速運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)可行性的關(guān)鍵因素。 要廢除禁止在陸地上空超音速飛行的規(guī)定需要管制方采取行動(dòng)，而管制方需要數(shù)據(jù)的支撐。在波音等公司的支持下，NASA計(jì)劃在2019年試飛其低聲爆測(cè)試機(jī)以收集數(shù)據(jù)和相關(guān)社區(qū)的回應(yīng)。隨后這些數(shù)據(jù)將提供給美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）和國(guó)際民航組織以作為廢除禁令的依據(jù)。 這款單發(fā)超音速飛機(jī)x-plane將會(huì)是一款80-100座、時(shí)速1.6-1.8馬赫的飛機(jī)，速度比協(xié)和號(hào)慢，但聽(tīng)覺(jué)聲爆僅為75分貝（協(xié)和號(hào)是105分貝）。再加上空氣動(dòng)力學(xué)和發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)，這款飛機(jī)的油耗比協(xié)和號(hào)少1/3，因此經(jīng)濟(jì)上可行性更高。 有些渴望高速度的發(fā)展者不愿等待。Aerion希望在2016年中期推出時(shí)速為1.5馬赫的12座商務(wù)飛機(jī)，并在2023年前開(kāi)始交付。而B(niǎo)oom Technology計(jì)劃在2017年底開(kāi)始試飛其時(shí)速為2.2馬赫的40座小型測(cè)試機(jī)。Boom希望這款飛機(jī)能與普通飛機(jī)的商務(wù)艙競(jìng)爭(zhēng)。 兩者的設(shè)計(jì)都不能實(shí)現(xiàn)低音爆飛行，且都依賴于效率提升以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，而在禁令改變前，兩家的飛機(jī)只能在水面上空超音速飛行，在地面上空只能亞音速飛行。它們將成為測(cè)試超音速市場(chǎng)存在與否的先驅(qū)。兩家公司目前都擁有了訂單。但對(duì)大眾來(lái)說(shuō)，超音速旅行仍然很遠(yuǎn)。 未來(lái)航空業(yè)要近在人們眼前 世界上大多數(shù)城市的擴(kuò)張都超出了自身地面交通基礎(chǔ)設(shè)施的承載能力，但在已有格局內(nèi)建造高速路和跌路的成本太高且會(huì)擾亂正常的生活和發(fā)展。航空業(yè)內(nèi)一些人視此為增加“第三維”城市交通的良機(jī)。 有些人稱(chēng)之為飛行汽車(chē)、個(gè)人空中飛車(chē)或空中的士，最近的稱(chēng)呼是“隨叫隨到的交通工具”，但這一概念和航空業(yè)一樣老——目的都在于用飛行器避開(kāi)地面交通的限制。 支持者認(rèn)為現(xiàn)有無(wú)人機(jī)技術(shù)和電力發(fā)動(dòng)機(jī)再加上人們對(duì)替代地面交通的需求，空中的士將應(yīng)運(yùn)而生。但他們也承認(rèn)，這種新交通工具的發(fā)展面臨著許多障礙，比如安全性、認(rèn)證、運(yùn)營(yíng)成本、操作要求、空域整合、噪音和污氣排放等。 大部分障礙將首先由無(wú)人機(jī)的發(fā)展解決，包括小型無(wú)人機(jī)。首先要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在低空空域的安全運(yùn)行，而且其噪音也必須能被人們接受。未來(lái)幾年內(nèi)，無(wú)人機(jī)建立城市快遞服務(wù)定期線路的成功程度對(duì)于“打飛的”是否可行將至關(guān)重要。 未來(lái)航空業(yè)成本要更低 航空業(yè)有很多出名的“包袱項(xiàng)目”，比如波音“夢(mèng)想客機(jī)”787的研發(fā)成本和復(fù)雜程度都遠(yuǎn)超預(yù)期。飛機(jī)制造商追求更高的效率，同時(shí)希望成本能更低。如今，股東、納稅人以及客戶都要求研發(fā)方追究責(zé)任，所以項(xiàng)目的投入產(chǎn)出比成了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 發(fā)展更先進(jìn)、更集成的設(shè)計(jì)工具有助于降低成本，比如能更精確地預(yù)測(cè)問(wèn)題源的模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)早期更多地利用計(jì)算機(jī)分析和優(yōu)化能使研發(fā)人員擁有更多選擇以優(yōu)中選優(yōu)應(yīng)對(duì)相關(guān)要求。越來(lái)越多的工程和制造自動(dòng)化也在降低周期時(shí)間和成本。 然而，與此同時(shí)，從物料到制造的一系列科技進(jìn)步也在增加工程師任務(wù)的復(fù)雜性。增材制造實(shí)現(xiàn)了多功能部件的3D打印，但另一方面，最近的一些項(xiàng)目也在告訴我們相關(guān)要求必須經(jīng)過(guò)討論和定義才能確立，而且必須有一定的邊界。新技術(shù)在登上平臺(tái)前必須經(jīng)歷應(yīng)有的過(guò)程。 不過(guò)，只有全新的下一代飛機(jī)才能告訴我們波音787帶來(lái)的啟示是否被發(fā)展者記在了心里。空客和波音已經(jīng)認(rèn)識(shí)到新一代的飛機(jī)不能持續(xù)在成本上超過(guò)上一代。全新的下一代單通道飛機(jī)可能不會(huì)在2030年之前進(jìn)入市場(chǎng)，但那時(shí)一定會(huì)涌現(xiàn)出大量先進(jìn)科技，而這些科技一定會(huì)在航空業(yè)為自己找到安身之處。 |
