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賽斯納龐巴迪

明天的航空業會走向何方?更快更安靜更便宜

私人飛機網 更新時間:2018-03-22 10:05:01 來源:民航資源網 字號:

  據《航空周刊》報道,航空研究是漫長的工程。一項技術從實驗室到生產可能需要20年或更長的時間。所以,航空業已經決定了未來10年的路徑,而走向未來20年的可選路徑也屈指可數。此外,雖然不穩定性增加,但各路投資決策已經開始繪制這些路線圖了。

  未來的航空業要更清潔

  不是每個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碳排放的增長,以免影響到航空旅行未來的擴張。這一共同承諾正在驅動如今的航空研究并塑造著航空業的未來。

  隨著航空業正在奮力保持并加速創紀錄的效率提升速度以保持并實現預測的航空旅行增長,業內還在探索能使拉力更小的航空動力學、更輕的結構、更高效的發動機、系統電力化、精簡的運作以及打破傳統的配置和推力。

  自首批飛機翱翔天空起,飛機的效率平均每年提升1%-2%。要實現歐洲和美國為研究設置的長期目標,這一降低油耗及二氧化碳排放的效率必須持續持續下去或出現增長。

  但歷史趨勢以年代為基礎單位呈現。空客于2016年投入市場的空客A320neo的油耗相比其1988年推出的最初款A320降低了15%,再加上其它技術的提升,這一數字到2020年將達到20%,但整體而言,這個提升比率還是太低。

  根據現今的產品發展速度,飛機制造商們每20到30年能實現15%到20%的效率提升。歐洲設置的目標是相比2000年的技術水平,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動機。發動機制造商計劃以每年將效率提升1%的速度進入本世紀20年代。但要實現上述目標,這是不夠的。

  研發前進的每一步都來之不易。普惠在20年內投入了100億美元才發展出PW1000G齒輪傳動渦扇發動機,這比A320最初的引擎V2500的油耗降低了15%。普惠計劃到在未來10年左右將油耗再降10%到15%。

  但美國航空航天局(NASA)表示,如果發動機之外的相關科技能發展并應用到位,到2025年油耗可以降低50%,到2030年降低60%。這也是著眼長期的研發人員探索新飛機構型和動力結構的原因。

  NASA的研究表明,在采用先進空氣動力學、結構和新型發動機的情況下,如今的圓筒機身加機翼設計能節省達45%的燃油,但要進一步提升效率則需要新的思維方式。混合動力翼身一體機、桁架式機翼、增加升力的機艙、降低拉力的嵌入式發動機及邊界層吸-排氣等超高效率設計都正在研究中。

  保守猜測,由于更窄、更具彈性的機翼可通過主動震顫抑制減少拉力,再加上空氣動力學進步能實現自然和混合動力層流,因此圓筒機身加機翼的設計將能持續作為主流進入本世紀30年代。但要配置更大半徑、更高涵道比的發動機,飛機需要非后掠翼布局或將發動機安置在機翼上方。

  電動推力的研發正在2座訓練機上展開,但空客和NASA認為,到2030年,混合動力結構將可能用于驅動100座以下的飛機。但驅動100座以上的飛機會更加困難,實現更高效率和更低碳排放的關鍵可能在于采用分布式動力,使機身結構與發動機更緊密地結合,以實現更先進的空氣動力設計。

  最終,航空業將擺脫石油燃料的束縛。利用可持續性資源生產的合成式燃油可能會讓液體燃油再存在幾十年,但要持續降低碳排放,航空業最終將需要利用另一種能源。我們希望電池可以實現跨越式發展并成為航空業的主流動力,或者出現其它可儲存高濃度能源的方式,從而保證航空業能擁有一個更清潔的未來。

  未來的航空業要更安靜

  飛機的噪聲很大,所以建新機場要獲審批難于登天,增加或擴張跑道有時需要數十年的時間,而在一座繁華都市的市區保留一個直升飛機場需要打一場硬仗。再加上超音速飛機、無人機和“空中的士”的加入,噪音成了航空業未來的最大挑戰之一。

  根據預測,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,但機場未來承受的地理位置壓力將越來越大。除非機場能在不擴大影響的情況下增加運營能力,否則高速火車或高速地鐵將使航空業在短途旅行方面沒有立足之地。

  目前,人們對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動機短艙將越來越苗條,因而產生噪音的區域也越來越小。而在開放轉子的情況下,發動機不再需要短艙。

  NASA的研究表明,傳統的飛機結構布局在降噪方面的提升空間非常有限。渦輪風扇越大,發動機可能會越安靜,但如果發動機一直在機翼下方,那么安靜程度并不能得到大幅提升。NASA預測,在最理想的情況下,現在的主流飛機結構能在未來10到15年內將噪音在第四等級限制內降低20到30分貝。

  要使飛機噪音影響僅在機場范圍內且遠離居民,噪音降幅必須至少為40到50分貝。除了降低機身噪音來源(起降架、縫翼等)或通過更順暢的升力系統降低噪音外,發動機可能也必須遠離地面,這需要一種不同于當今飛機結構的配置。

  圓筒機身加機翼的設計可以通過調整使機身和機翼起到遮蔽渦扇或發動機噪音的作用。NASA的研究顯示,將發動機機艙設置在機翼上方以及機身中部的配置可以將噪音減少30到40分貝。而寬機身的混合動力機翼體能將噪音減少40到50分貝。這種遮蔽配置可能成為使人們接受節油型開放轉子設計的關鍵因素。

  由于原初設計的障礙,直升機降噪的難度非常大。但旋翼直升機的設計和運行使直升機在降噪方面取得了進步。最新一代的直升機更安靜,到2020年,正在發展的技術和程序將使噪音降低10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場并使直升飛機發揮更大作用,還需要更多進步的支撐。

  不過,在不久的未來,飛機和直升機不再是空中噪音的唯一主要來源。無人機的廣泛利用,尤其快遞無人機的使用,也將產生大量噪音污染。目前的無人機噪音都很大。針對無人機噪音的研究仍處于初步階段,但對于無人機未來的發展以及實現“隨叫隨到”的新型航空運輸來說,這些研究至關重要。

  未來的航空業要更快

  全球范圍的通訊和商業駕著信息技術演進之風加速發展,但航空旅行并沒有變快,相比以前甚至還變慢了。現實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?

  從波音的高級執行官到新秀企業家,許多業內人士相信超音速將回到航空業。但那是什么時候?新秀企業Aerion和Boom Technology認為就是現在,NASA和波音、灣流等認為是在聲爆這個障礙被消除的時候,還有一些人認為超音速仍然太慢,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境和經濟兩個方面——聲爆、噪音、污氣排放、燃油和成本。1999年,業內稱乘客不會為速度支付高票價,于是NASA放棄了研發一款300座、速度為2.4馬赫的越洋超音速飛機項目。2006年新研究聚焦于將聲爆控制在使飛機可在陸地上空飛行的程度,這也被認為是影響超音速運輸經濟可行性的關鍵因素。

  要廢除禁止在陸地上空超音速飛行的規定需要管制方采取行動,而管制方需要數據的支撐。在波音等公司的支持下,NASA計劃在2019年試飛其低聲爆測試機以收集數據和相關社區的回應。隨后這些數據將提供給美國聯邦航空管理局(FAA)和國際民航組織以作為廢除禁令的依據。

  這款單發超音速飛機X-plane將會是一款80-100座、時速1.6-1.8馬赫的飛機,速度比協和號慢,但聽覺聲爆僅為75分貝(協和號是105分貝)。再加上空氣動力學和發動機的改進,這款飛機的油耗比協和號少1/3,因此經濟上可行性更高。

  有些渴望高速度的發展者不愿等待。Aerion希望在2016年中期推出時速為1.5馬赫的12座商務飛機,并在2023年前開始交付。而Boom Technology計劃在2017年底開始試飛其時速為2.2馬赫的40座小型測試機。Boom希望這款飛機能與普通飛機的商務艙競爭。

  兩者的設計都不能實現低音爆飛行,且都依賴于效率提升以實現經濟性,而在禁令改變前,兩家的飛機只能在水面上空超音速飛行,在地面上空只能亞音速飛行。它們將成為測試超音速市場存在與否的先驅。兩家公司目前都擁有了訂單。但對大眾來說,超音速旅行仍然很遠。

  未來航空業要近在人們眼前

  世界上大多數城市的擴張都超出了自身地面交通基礎設施的承載能力,但在已有格局內建造高速路和跌路的成本太高且會擾亂正常的生活和發展。航空業內一些人視此為增加“第三維”城市交通的良機。

  有些人稱之為飛行汽車、個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。

  支持者認為現有無人機技術和電力發動機再加上人們對替代地面交通的需求,空中的士將應運而生。但他們也承認,這種新交通工具的發展面臨著許多障礙,比如安全性、認證、運營成本、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的發展解決,包括小型無人機。首先要實現無人機在低空空域的安全運行,而且其噪音也必須能被人們接受。未來幾年內,無人機建立城市快遞服務定期線路的成功程度對于“打飛的”是否可行將至關重要。

  未來航空業成本要更低

  航空業有很多出名的“包袱項目”,比如波音“夢想客機”787的研發成本和復雜程度都遠超預期。飛機制造商追求更高的效率,同時希望成本能更低。如今,股東、納稅人以及客戶都要求研發方追究責任,所以項目的投入產出比成了一個關鍵問題。

  發展更先進、更集成的設計工具有助于降低成本,比如能更精確地預測問題源的模型系統設計。在設計早期更多地利用計算機分析和優化能使研發人員擁有更多選擇以優中選優應對相關要求。越來越多的工程和制造自動化也在降低周期時間和成本。

  然而,與此同時,從物料到制造的一系列科技進步也在增加工程師任務的復雜性。增材制造實現了多功能部件的3D打印,但另一方面,最近的一些項目也在告訴我們相關要求必須經過討論和定義才能確立,而且必須有一定的邊界。新技術在登上平臺前必須經歷應有的過程。

  不過,只有全新的下一代飛機才能告訴我們波音787帶來的啟示是否被發展者記在了心里。空客和波音已經認識到新一代的飛機不能持續在成本上超過上一代。全新的下一代單通道飛機可能不會在2030年之前進入市場,但那時一定會涌現出大量先進科技,而這些科技一定會在航空業為自己找到安身之處。

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