[2011.9.3] 未来飞机：空中巨变

未来飞机

空中巨变

Sep 3rd 2011 | from the print edition


航空业：未来飞机将迎来更高能效、更加舒适、更加奇幻的新兴技术时代，做好准备迎接吧。

1983年7月23日晚间，加拿大航空公司143号航班因一系列人为操作失误后耗尽了燃油。这架全新的波音767，负载并不重，只有61名乘客和8名机组人员，于8,686（28,500英尺）米高空成为一架滑翔机，当时离最近的温尼伯机场还有120千米（75英里）。十分钟后，显然发觉飞机因高度下降过快而失去控制。

而后飞行员改变了航向，希望在基米镇附近一废弃的空军基地迫降。他们不知那里的飞机跑道已改建为小型赛车跑道。当看到悄然接近的飞机，在场的目击者们很快四散开来。机轮刚一着地，前起落架就立刻破裂，紧接着机头砰然扎进了跑道，火星四射，挂上了跑道中间的防护栏，飞机滑行了一段距离会终于停下。所幸无人遇难。

如果当时飞行员驾驶的是当今更符空气动力学的飞机，他们能够轻而易举地赶到温尼伯机场，卡尔•霍顿说道。他是一名休闲滑翔机教练，也是悉尼霍顿动力公司的总经理，该公司是澳大利亚民航安全局的专职顾问。他表示，现代飞机的滑翔距离比那时将近远25%，下一代飞机还将有所进步。

其实滑翔距离并不能作为客机气动效率的评价手段，因为这不是它的设计初衷。但是随着基米滑翔机事件逐渐被人们熟知，清楚地证明了发展航空技术的重要性。能效提升后，新波音787意味着比19世纪70年代的飞机每承载一个乘客能减少约40%的油耗。空客和其他飞机制造商也做到了这一点。

但这也不能说明所有的航空技术改进都能产生附加值。因为诸多技术已经成熟，新型飞机问世不是没有可能，无人机能以五倍音速以上巡航。就在去年，一轻量级飞行员试驾了瑞士的太阳能动力飞机，该型飞机白天可以储存太阳能，夜间也能够持续飞行。有人正在研制一种小型无人机，机翼底部设有高效红外电池，能够捕捉地面反射的辐射能。波音公司也在开发一种无人驾驶间谍机，该机能够在连续五年不补充燃料的情况下使用氢动力高空飞行。德鲁•马洛，幻影之眼项目的带头人，他设计的这款飞机模型机翼展46米，被称为“穷人的卫星”。未来的飞机短期内将逐渐经历许多变化，而展望未来几十年，将会迎来彻底的巨变。

为节省飞机燃油人们已做了大量研究，油价近年来增长近两倍多，如今它几乎占了航空运营成本的一半。即使能效稍微提升，也能迅速受益——据以往经验，粗略估计飞机寿命为20年，它一生中1%的能效提升可以消减100多万美元的燃料成本，伊桑•穆尼尔谈到，他是波音公司中国区销售副总。这样的节约就如同滚雪球，耗油量小的飞机利润越大，所以银行愿意提供低利率资金支持。

“减肥”势在必行

为促进能效提升，现代飞机襟翼操作改用了更轻的电子系统，而不是液压系统。目前至少有一家航空公司，澳大利亚捷星航空，正在把机内娱乐设备换成苹果公司生产的更轻的iPads。国际航空科学是一家总部位于加利福尼亚州圣塔巴巴拉的航空咨询公司，他们发现机身绝缘隔离层增加了飞机不必要的成本：它会因吸湿而变得越来越重。以上这些就是疯狂追求成本节约的典型例子。工艺科学家们在提高能效这个领域唯一失败的地方就是如何减轻乘客的重量，航空科学公司的约翰•考半开玩笑地说道。

飞机工程师们多年来探索使用轻质强化碳纤维塑料代替金属部件。这种材料被称为合成材料，据ATK解释，它比一般材料轻20-40%。ATK总部位于美国犹他州，是一家航空航天公司，他们给飞机制造商提供合成材料。合成材料在现代飞机中所占的比例高达15%，然而下一代飞机合成材料的使用比例将高过金属材料，包括波音787（今年投入运营）和空客A350（预计2013年投入运营）。

新型轻质陶瓷的使用将进一步减少飞机制造中的金属需求，乔伊•德•丽萨说道，她是ATK航空航天公司的副总，他们分公司正在开发这种材料。合成陶瓷比合成金属更能承受高温。因此，他们开始替换喷气引擎中的一些金属零部件，这些发动机由斯奈克玛公司（法国发动机制造商）和通用电气公司（美国电气制造商）研发。通用电气表示，他们成功地将发动机重量减轻了3%，约136千克，此举促使波音787世界首次使用合成陶瓷风扇机箱和涡轮叶片。

通用电气还发明了一种减轻金属部件重量的方法，这也适用于发动机一些零部件，通过“印刷”实现而不是传统的锻造法。这种技术称之为3D印刷或添加剂制造技术，整个工序通过激光或电子束反复连续地在一层薄薄的金属粉末层上急速扫射，使其融化凝结，以此制造所需的零部件，精确度可以达到微米级别。设计者在一些部件内部使用空心结构，可以将重量减轻一半。这种制作工艺的成本比人工掏空铸件便宜很多，露娜•洛瑞说，她是纽约尼什卡纳通用电气全球调查实验室制造技术部的经理，她还预计三年之内，客机将会用到通用电气制造的3D空心零件。


2009年，通用电气和NASA（美国航空航天总署）合作，重新开始19世纪80年代搁置的一项工作，继续一种颠覆传统的无涵道风扇发动机实验。它结合了涡轮螺旋桨发动机油耗低和喷气发动机动力强、速率高的特点，在喷气室后面设置了两个短短的、似螺旋桨的转子，露天反方向转动。通用电气表示，这种发动机的油耗能比其他设计节省近三分之一。但是反对的呼声也很大，假如转子受损，便会机毁人亡。

普惠，美国另一家发动机制造商，设计出一款和传统大大不同的发动机，称作“齿轮传动涡扇发动机”， 它不用传动轴，而使用变速箱从涡轮机（高温燃气向后喷出时高速旋转）传动到风扇（从前面吸进空气），这使涡轮机转速大于风扇，从而提升能效。这款发动机被命名为纯动力PW1000G，油耗和噪声降低了约15%，普惠公司的保罗•菲克斯坦说道，每飞行一小时约能节省成本400美元。初步估价每台1,300万美元，已经有1,200多家订单，于2013开始交付。公司总裁大卫•汉斯说，这款新发动机可以把公司规模扩大两倍，该公司去年的销售额为13亿美元。

对于大部分客机来说，机翼和机身分别能够产生90%和10%的升力。由美国航空航天总署出资立项，麻省理工学院（MIT）的工程师们设计出一架飞机，该机机身庞大而机翼窄小，机身提供了近50%的升力，其横截面如同两个结合在一起的气泡。这架“双泡沫”，暂且这么称呼，看起来不雅观，但它的研发组估计这种设计能将油耗减低70%。这只是某种程度上的优势，因为它的速度比目前的班机要慢10%左右。

飞机尾翼可以让机身后部下俯，增加反作用力，从而使机头仰起。“双泡沫”机头部宽大、向下倾斜，导致气流上升获得升力，所以它的尾翼可以更小。传统机身设计要求使用重型结构材料，以便把机身横向重量转移到机翼下方的起落架和机轮上。麻省理工学院的研发团队通过加大飞机体积把飞机重量减少了约1%，——“实质上把机身重量转移到了起落架上”，这是该团队组长马克•黛拉的原话。发动机安装了在机身尾部，而不是在机翼下面。机身上流动的空气速度减慢，所以引擎的吸氧量减少从而节省了燃料。

使飞机更加平滑

我们既可以在微观上也可以在宏观上改变飞机的形状。拿显微镜来看机身上的油漆，“看起来就像比利牛斯山脉一样”，保罗•布克说，他是tripleO公司的总经理，公司总部位于英国浦尔。该公司研发出一种减小飞机空气摩擦力的方法：把一层非常薄的丙烯酸树脂涂在上过漆的飞机表面，填充微小缝隙，使其表面更加光滑。英国易捷航空，第一个使用这种产品的商业航空承运人，16个月前已经涂装了3架客机。此后，这家航空公司又涂装了5架，另外两家航空公司也纷纷效仿。布克说，增加飞机的光滑度可以降低1%左右的油耗，因此飞机涂装后几个月之内就能获得回报。

把表面粗糙化也可能是减小飞机反作用力一个办法。欧盟资助的一项研究中，意大利热那亚大学的亚历山德罗•波塔罗设计出一种微小型角质蛋白刷毛，他仿照了鸟身上叫做覆羽那种最小的羽毛。风中振动时，刷毛会产生反作用力，但同时它也可以减少机翼滑流，产生一个低气压乱流，机翼上形成回力，因而减小阻力。毛茸茸的网球比表面光滑的球飞得快的原因正是这个原理，波塔罗解释说。

无论飞机制造的有多么完美，若没有完美的航道计算，那也无法充分挖掘飞机潜力。在许多飞机场，交通管理人员在飞机行程的最后半小时里下达可以靠近或降落的各项指令。结果，飞行员们不得不减速或加速飞行而浪费燃料，因为他们必须按照严格规定降落。这样那样的低效管理——比如为等停机坪在空中盘旋——将会因为一套新的飞行管理软件大大减少。

这款软件能够迅速处理每架飞机的空中飞行数据和其他地空交通状况，以制定最佳飞行计划。比如，它能够计算出飞机向最薄的云层（以减轻阻力）上升的准确率，以减轻飞机自身重量。飞机之间还可以收集和互换大气数据，以精确调整航道和速度。关键的是这种技术可以管理班机的滑翔能力，若风况适宜，一架新班机降落时，可以将引擎熄火滑翔150千米至机场。

众所周知，仅一“绿色着陆”就可节省100千克燃油，罗多•亨利克森说，他是挪威19个商业运营机场之一的亚威农航空公司谈判负责人。史蒂夫富尔顿纳沃斯，通用电气的子公司，他们设计且安装了这个系统，并把此比喻为铁轨：飞机不会越轨，甚至双翼都不会超出他们绘制的线路；会在预计的十秒之内安全着陆。


到目前为止，唯有澳大利亚布里斯班机场完全使用了这个系统，此举减少了近三分之一的航班延误和周边环境的噪音污染。富尔顿先生说，若全欧都应用此系统，燃油成本和污染减少会多于8%。数家机场正在引进这项技术，但这一过程需要大量安装操作操作和培训工作。亚威农公司表示，要在挪威普及这项技术至少需要5年时间。

节省燃油固然是件好事，但你可能会想，高科技能为乘客改善乘机环境做点什么呢？在今年六月巴黎航展的筹备期间，空客就展望了其2050年飞机乘客舒适度的愿景。机舱壁被骨骼状透明薄膜所替代。“养生”旋转座椅会让每位乘客感觉舒适并能提供按摩服务，同时会吸收乘客身体散发的一部分热量为每个机载音箱、智能情感灯、全息娱乐设施提供能量。尽管空客的工程副总裁查尔斯•查姆皮恩也承认很多部件以今天的技术还不能制造得出，但这听起来很美妙。他指出，最近几年来，飞机制造业已经把重心放在了如何使飞机更加节能、舒适而不是让它飞得更快。

尽管协和式飞机于2003年终止了飞行服务，但超音速飞机之梦并没有因此泯灭。法国达索航空公司和美国Aerion航空公司 、Gulfstream航空航天公司正在为制造各自的超音速喷气式飞机大力研发新技术。打破音障时会产生音爆，所以超音速飞行在陆地上空有诸多限制。美国国家航空航天总署用一架改良型喷气战斗机进行了测试，结果表明特殊的机身形状可以减弱音爆。但Aerion公司确认为，减弱音爆的最好办法就是只在水面上空超音速飞行，而放弃那些无谓的努力。该公司已完成设计但还未制造的8—12座超音速商务客机，具有薄且宽的刀状机翼和其它更符空气动力学的特征，这比一些普通设计空气阻力更小，Aerion公司的道格拉斯•尼尔科斯提到。约有50名潜在客户已为这架价值8000万美元的超音速喷气客机预付了25万美元的定金，它能以1.6倍音速巡航（1.6马赫）。但是Aerion公司目前还没有这款飞机的合作生产伙伴。

美国军方也注意了超音速飞机的潜在价值，若配置超燃冲压引擎，战机巡航速度可以达到5马赫甚至更快。HTV-2，一架巡航速度设计为20马赫的无人超音速飞机，于上月试飞失败。另一架超音速飞机，波音研发的踏浪者X-51A，进展略优。两架踏浪者都在太平洋上空进行了短距测试，其中一架失败。但是波音公司项目经理乔•沃格尔说，超音速飞机在技术上已经取得了重大突破，他预计超然冲压发动机将来也可能会应用到民航客机上。

有些军迷狂言，在那之前，可能会建立超音速空军部队。但美国空军研究实验室航空航天推进司的高级技术官员罗伯特•米歇尔轻描淡写的表示，卷入这种飞机的大漩涡将导致未来世界风波四起。这绝不是危言耸听，他说，超音速飞机可以用作高速巡航导弹，突然重磅袭击敌后。若使用远程弹道导弹进行打击则更俱风险，因为这会由于突如其来的核打击而发射失败。

已被搁置多年的超音速民航客机概念是否会再次复苏？今年的巴黎航展上，空客总公司EADS发布了一款和日本研究员合作完成概念机设计方案，称作零排放超高音速运输机（ZEHST）。它有三个相互独立种类不同的引擎：首先启动普通喷气发动机（使用从海藻中提取的生物燃料驱动）使飞机起飞；然后启动火箭发动机加速到2.5马赫；最终启用冲压发动机，航速达到4马赫。这型飞机载客量为50-100人，从巴黎到东京约2.5小时，而当今飞机则需11小时。

即便设计者也承认，这种零排放超高音速飞机在2040年之前不可能实现，但EADS公司技术创新部总监杰•博迪宣称“未来的航空体验就如同ZEHST所描述的那样”。这听起来有点异想天开，但很久以前，洲际快速航空旅行也被如此认为。在航空领域，今天听起来奇异古怪的想法也许明天就会成为现实。