民航資源網(wǎng)2017年12月30日消息：據(jù)《航空周刊》報(bào)道，航空研究是漫長(zhǎng)的工程。一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)可能需要20年或更長(zhǎng)的時(shí)間。所以，航空業(yè)已經(jīng)決定了未來10年的路徑，而走向未來20年的可選路徑也屈指可數(shù)。此外，雖然不穩(wěn)定性增加，但各路投資決策已經(jīng)開始繪制這些路線圖了。
未來的航空業(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。
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)?？湛陀?016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，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。
未來的航空業(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)、無人機(jī)和“空中的士”的加入，噪音成了航空業(yè)未來的最大挑戰(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)未來承受的地理位置壓力將越來越大。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，否則高速火車或高速地鐵將使航空業(yè)在短途旅行方面沒有立足之地。
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。越來越高的涵道比意味著發(fā)動(dòng)機(jī)短艙將越來越苗條，因而產(chǎn)生噪音的區(qū)域也越來越小。而在開放轉(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)身噪音來源（起降架、縫翼等）或通過更順暢的升力系統(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，在不久的未來，飛機(jī)和直升機(jī)不再是空中噪音的唯一主要來源。無人機(jī)的廣泛利用，尤其快遞無人機(jī)的使用，也將產(chǎn)生大量噪音污染。目前的無人機(jī)噪音都很大。針對(duì)無人機(jī)噪音的研究仍處于初步階段，但對(duì)于無人機(jī)未來的發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)“隨叫隨到”的新型航空運(yùn)輸來說，這些研究至關(guān)重要。
未來的航空業(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，但航空旅行并沒有變快，相比以前甚至還變慢了?，F(xiàn)實(shí)需求和航班速度之間越來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，但聽覺聲爆僅為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年前開始交付。而Boom Technology計(jì)劃在2017年底開始試飛其時(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)大眾來說，超音速旅行仍然很遠(yuǎn)。
未來航空業(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)。
有些人稱之為飛行汽車、個(gè)人空中飛車或空中的士，最近的稱呼是“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地面交通的限制。
支持者認(rèn)為現(xiàn)有無人機(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人機(jī)的發(fā)展解決，包括小型無人機(jī)。首先要實(shí)現(xiàn)無人機(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。未來幾年內(nèi)，無人機(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)有的過程。
不過，只有全新的下一代飛機(jī)才能告訴我們波音787帶來的啟示是否被發(fā)展者記在了心里?？湛秃筒ㄒ粢呀?jīng)認(rèn)識(shí)到新一代的飛機(jī)不能持續(xù)在成本上超過上一代。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。