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来自 生命科学 2020-03-24 08:45 的文章
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未来飞机给你“好看” 环保为设计首要目标

另一个设想就是使用复合材料,如纤维增强塑料。这种复合材料强度可与金属媲美,而重量却比金属轻得多,因此可以节省燃油。在波音公司最新亮相的波音787梦想飞机上,强化塑料复合材料占到重量的50%。英国低成本航空公司EasyJet最近展示了一架短程飞机设计模型,可以减少50%的二氧化碳排放量,将于2015年前投入运营。

波音公司则认为,涡轮—电力混合推进系统才是可以“改变游戏规则”的最终办法,它将使燃料消耗减少70%到90%。混合动力发动机能够根据用途的不同改变燃油和电池的使用比例,远距离飞行的飞机主要使用航空燃油,近距离则主要使用电力。波音公司研究后发现,在同等飞行距离的情况下,混合动力发动机驱动的飞机所需要的燃料要远远小于完全由电力推进的飞机。

荷兰代夫特工业大学的伊特内尔斯特拉斯玛说:我想摆脱飞机一贯的设计理念,比如长着翅膀的圆柱形的机身。在我的想象中,未来的飞机可能会是一个飞碟。她和一些工程师们正打算使用一些更轻巧的材料,另一些工程师们则考虑重新启用螺旋桨飞机,用作生态环保的客机。最近,斯特拉斯玛带头设立了一个名为CleanEra的项目,旨在设计一款超级生态环保的飞机,这种飞机排放的二氧化碳每客位英里比目前客机的排放量要少50%。设计图中描绘的绿色飞机类似一个飞碟,可以减少各种污染物质和噪音,符合欧洲航空研究顾问委员会推荐指标。

今年年初,美国国家航空航天局公布了新一代宽体客机的3种设计方案。每个设计方案都力求在15年以内达到一个比较理想的环保目标,如将燃油消耗降低40%,氮氧化合物排放量降低75%,以及将噪音印迹减小42分贝等。

未来飞机形如飞碟

上世纪末期,随着复合材料技术的发展,越来越多的复合材料被广泛应用于民航制造业。在提高飞机强度、韧度的同时,复合材料的大面积使用还使飞机变得越来越轻,大幅度提升了飞机的燃油效率。另外,使用复合材料还可以大幅降低紧固件和铆钉的数量。有业内人士认为,“复合材料只有5%的废料,而铝是90%”。

一个设计理念就是重新启用螺旋桨飞机,即使螺旋桨叶片是受喷气引擎驱动,这种飞机也比喷气式飞机更省燃油。然而,问题在于螺旋桨飞机飞行速度非常慢,速度慢得甚至有点没法接受。斯特拉斯玛说:我的一个要求就是增加舒适度,但是一旦航程变长我们就很难做到这点。然而,科学家们还是在努力改进螺旋桨飞机的设计,比如使用有特殊曲度的薄型叶片,以实现目前飞机0.8马赫的速度。这种设计的问题则在于,叶片转动的速度如此之快,以致于叶片顶尖处产生的冲击波会非常的强。斯特拉斯玛表示,她的研究小组将寻找降低噪音的解决方法,比如放置两个叶片逆向旋转的螺旋桨。

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大幅降低尾气污染

现在,电动发动机技术正从小做起,欧洲宇航防务集团创新工务局就对一架单座超轻型飞机进行了改装,它的两个活塞发动机被4个电动发动机所取代,每个发动机由锂聚合物电池驱动。这些发动机可产生22千瓦的功率,飞机的续航能力则为20—30分钟。

为减少飞机尾气对大气环境的影响,荷兰的航空工程师们目前正探讨设计新一代的绿色环保飞机。新一代的飞机外形将酷似飞碟,很大程度上颠覆了传统的飞行工程学设计理念。

图5:芬兰航空的空客A600-850M飞机。这一飞机被描述为“零排放超音速飞机”。全世界的研发人员正努力研发新型材料,这些新型材料能使飞机更舒适,排放更少。

然而,亚历山大汉认为目前只不过简单地用复合材料取代了铝,要真正充分利用新型材料,工程师们必需好好想一想复合材料的用途。他表示,在设计一架飞机的机身时,如果全部使用纤维增强塑料而不是将金属片拼接起来,就可以减少30%的重量。除了使飞机更轻外,复合材料还可以给工程师在飞机外形设计上更大自由度,有助于充分发挥空气动力学作用。斯特拉斯玛认为,设计制造一架全复合材料的飞机目前还很不现实,因为复合材料的耐热性不如金属好,一些还会容易受潮,这种对机翼来说是个大问题。

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使用新型复合材料

以上几种未来飞机在外形方面都不同于目前的传统布局,在飞机制造这样一个严谨、需要规避风险的行业,外形上任何微小的变化都蕴含着可能的危险,但如今提高效率的呼声又使得这种改变势在必行。机翼可能永远会存在,但有一天,无尾翼、无襟翼的民用飞机可能就会悄然降落在你身边的机场。

荷兰代夫特工业大学生物学教授汤姆布伦戴尔说:如果国际社会对目前空中交通量的迅猛增长势头不加以控制,飞机排放物很可能成为全球变暖的主要因素之一。汤姆布伦戴尔称,飞机发动机排放的诸如二氧化碳、氮硫氧化物、碳氢化合物以及其他一些微小颗粒等有害物质,这些物质排放到大气中,必将对气候造成恶劣影响。到2050年,航空飞行导致气候变化的比重将达到6-10%。空中货运的现状更加令人担忧,在今后几十年内,空中货运的需求量也极有可能仍将是有增无减。汤姆布伦戴尔认为,如果新型的环保飞机能够尽快得以推广,飞机尾气对大气环境污染的影响将会大大降低。

无论是纯电力发动机,还是混合动力发动机,它们的出现无疑都会将发动机制造产业推向一个新的高度。在美国国家航空航天局2030年航空运输业规划时间表的研究过程中,有的研究小组就提出,唯有电力推进能够彻底实现大幅度减少油耗、减少排放的宏伟目标。电力螺旋桨发动机已经问世,也许有一天,混合动力发动机将会像喷气发动机一样,引起航空业又一次新的变革。

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外形篇:颠覆传统 势在必行

js金沙国际,图4:空客公司设计的概念飞机,飞机的引擎置于机身内,而不是置于机翼下。这种引擎更适合于流线型飞机,同时也能将大部分的噪音导向上部。

1902年,除了减轻重量以外,困扰莱特兄弟的还有另外一个棘手的问题,那就是提高发动机的推进效率。而在100多年后的今天,飞机的设计者们也要考虑同样的问题——如何在保证推力的前提下,最大限度地减少发动机的燃料消耗?于是,有些设计师便提出了像电动汽车一样的电动发动机的概念。乍一听,你也许会觉得有些不可想象,但事实证明,这不是不可能。

帝国理工学院的设计方案也是将一对喷气发动机装在机尾,但是发动机的位置会被提升,高于机翼表面。其最大的特点在于,这种飞机根本没有尾翼。也正因如此,这种飞机极不稳定,它在飞行时需要像一些军用飞机一样由电脑进行辅助控制。

发动机篇:混合动力 不是不可能

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