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明天的航空业会走向何方?更快更安静更便宜

时间:2018年01月08日   来源:

民航资源网2017年12月30日消息:据《航空周刊》报道,航空研究是漫长的工程。一项技术从实验室到生产可能需要20年或更长的时间。所以,航空业已经决定了未来10年的路径,而走向未来20年的可选路径也屈指可数。此外,虽然不稳定性增加,但各路投资决策已经开始绘制这些路线图了。

未来的航空业要更清洁

不是每个人都相信气候变化和电力引擎,但全球的航空公司都承诺要停止并逆转碳排放的增长,以免影响到航空旅行未来的扩张。这一共同承诺正在驱动如今的航空研究并塑造着航空业的未来。

随着航空业正在奋力保持并加速创纪录的效率提升速度以保持并实现预测的航空旅行增长,业内还在探索能使拉力更小的航空动力学、更轻的结构、更高效的发动机、系统电力化、精简的运作以及打破传统的配置和推力。

自首批飞机翱翔天空起,飞机的效率平均每年提升1%-2%。要实现欧洲和美国为研究设置的长期目标,这一降低油耗及二氧化碳排放的效率必须持续持续下去或出现增长。

但历史趋势以年代为基础单位呈现。空客于2016年投入市场的空客A320neo的油耗相比其1988年推出的最初款A320降低了15%,再加上其它技术的提升,这一数字到2020年将达到20%,但整体而言,这个提升比率还是太低。

根据现今的产品发展速度,飞机制造商们每20到30年能实现15%到20%的效率提升。欧洲设置的目标是相比2000年的技术水平,到2050年减少75%的碳排放。

空客A320neo和波音737MAX以及A350和波音787的效率提升大部分归功于采用了新型的高涵道比涡扇发动机。发动机制造商计划以每年将效率提升1%的速度进入本世纪20年代。但要实现上述目标,这是不够的。

研发前进的每一步都来之不易。普惠在20年内投入了100亿美元才发展出PW1000G齿轮传动涡扇发动机,这比A320最初的引擎V2500的油耗降低了15%。普惠计划到在未来10年左右将油耗再降10%到15%。

但美国航空航天局(NASA)表示,如果发动机之外的相关科技能发展并应用到位,到2025年油耗可以降低50%,到2030年降低60%。这也是着眼长期的研发人员探索新飞机构型和动力结构的原因。

NASA的研究表明,在采用先进空气动力学、结构和新型发动机的情况下,如今的圆筒机身加机翼设计能节省达45%的燃油,但要进一步提升效率则需要新的思维方式。混合动力翼身一体机、桁架式机翼、增加升力的机舱、降低拉力的嵌入式发动机及边界层吸-排气等超高效率设计都正在研究中。

保守猜测,由于更窄、更具弹性的机翼可通过主动震颤抑制减少拉力,再加上空气动力学进步能实现自然和混合动力层流,因此圆筒机身加机翼的设计将能持续作为主流进入本世纪30年代。但要配置更大半径、更高涵道比的发动机,飞机需要非后掠翼布局或将发动机安置在机翼上方。

电动推力的研发正在2座训练机上展开,但空客和NASA认为,到2030年,混合动力结构将可能用于驱动100座以下的飞机。但驱动100座以上的飞机会更加困难,实现更高效率和更低碳排放的关键可能在于采用分布式动力,使机身结构与发动机更紧密地结合,以实现更先进的空气动力设计。

最终,航空业将摆脱石油燃料的束缚。利用可持续性资源生产的合成式燃油可能会让液体燃油再存在几十年,但要持续降低碳排放,航空业最终将需要利用另一种能源。我们希望电池可以实现跨越式发展并成为航空业的主流动力,或者出现其它可储存高浓度能源的方式,从而保证航空业能拥有一个更清洁的未来。

未来的航空业要更安静

飞机的噪声很大,所以建新机场要获审批难于登天,增加或扩张跑道有时需要数十年的时间,而在一座繁华都市的市区保留一个直升飞机场需要打一场硬仗。再加上超音速飞机、无人机和“空中的士”的加入,噪音成了航空业未来的最大挑战之一。

根据预测,世界上的大部分人口将生活在大型城市里,虽然人们的旅行需求在增长,但机场未来承受的地理位置压力将越来越大。除非机场能在不扩大影响的情况下增加运营能力,否则高速火车或高速地铁将使航空业在短途旅行方面没有立足之地。

目前,人们对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时降低油耗和噪音,但两者可能汇合到一条线上。越来越高的涵道比意味着发动机短舱将越来越苗条,因而产生噪音的区域也越来越小。而在开放转子的情况下,发动机不再需要短舱。

NASA的研究表明,传统的飞机结构布局在降噪方面的提升空间非常有限。涡轮风扇越大,发动机可能会越安静,但如果发动机一直在机翼下方,那么安静程度并不能得到大幅提升。NASA预测,在最理想的情况下,现在的主流飞机结构能在未来10到15年内将噪音在第四等级限制内降低20到30分贝。

要使飞机噪音影响仅在机场范围内且远离居民,噪音降幅必须至少为40到50分贝。除了降低机身噪音来源(起降架、缝翼等)或通过更顺畅的升力系统降低噪音外,发动机可能也必须远离地面,这需要一种不同于当今飞机结构的配置。

圆筒机身加机翼的设计可以通过调整使机身和机翼起到遮蔽涡扇或发动机噪音的作用。NASA的研究显示,将发动机机舱设置在机翼上方以及机身中部的配置可以将噪音减少30到40分贝。而宽机身的混合动力机翼体能将噪音减少40到50分贝。这种遮蔽配置可能成为使人们接受节油型开放转子设计的关键因素。

由于原初设计的障碍,直升机降噪的难度非常大。但旋翼直升机的设计和运行使直升机在降噪方面取得了进步。最新一代的直升机更安静,到2020年,正在发展的技术和程序将使噪音降低10分贝并使噪音影响降低50%。但如果要保留市中心的直升飞机场并使直升飞机发挥更大作用,还需要更多进步的支撑。

不过,在不久的未来,飞机和直升机不再是空中噪音的唯一主要来源。无人机的广泛利用,尤其快递无人机的使用,也将产生大量噪音污染。目前的无人机噪音都很大。针对无人机噪音的研究仍处于初步阶段,但对于无人机未来的发展以及实现“随叫随到”的新型航空运输来说,这些研究至关重要。

未来的航空业要更快

全球范围的通讯和商业驾着信息技术演进之风加速发展,但航空旅行并没有变快,相比以前甚至还变慢了。现实需求和航班速度之间越来越大的差异是不是意味着超音速飞行即将回归?

从波音的高级执行官到新秀企业家,许多业内人士相信超音速将回到航空业。但那是什么时候?新秀企业Aerion和Boom Technology认为就是现在,NASA和波音、湾流等认为是在声爆这个障碍被消除的时候,还有一些人认为超音速仍然太慢,超高音速飞行才是正真的答案。

妨碍超音速旅行的因素来自于环境和经济两个方面——声爆、噪音、污气排放、燃油和成本。1999年,业内称乘客不会为速度支付高票价,于是NASA放弃了研发一款300座、速度为2.4马赫的越洋超音速飞机项目。2006年新研究聚焦于将声爆控制在使飞机可在陆地上空飞行的程度,这也被认为是影响超音速运输经济可行性的关键因素。

要废除禁止在陆地上空超音速飞行的规定需要管制方采取行动,而管制方需要数据的支撑。在波音等公司的支持下,NASA计划在2019年试飞其低声爆测试机以收集数据和相关社区的回应。随后这些数据将提供给美国联邦航空管理局(FAA)和国际民航组织以作为废除禁令的依据。

这款单发超音速飞机X-plane将会是一款80-100座、时速1.6-1.8马赫的飞机,速度比协和号慢,但听觉声爆仅为75分贝(协和号是105分贝)。再加上空气动力学和发动机的改进,这款飞机的油耗比协和号少1/3,因此经济上可行性更高。

有些渴望高速度的发展者不愿等待。Aerion希望在2016年中期推出时速为1.5马赫的12座商务飞机,并在2023年前开始交付。而Boom Technology计划在2017年底开始试飞其时速为2.2马赫的40座小型测试机。Boom希望这款飞机能与普通飞机的商务舱竞争。

两者的设计都不能实现低音爆飞行,且都依赖于效率提升以实现经济性,而在禁令改变前,两家的飞机只能在水面上空超音速飞行,在地面上空只能亚音速飞行。它们将成为测试超音速市场存在与否的先驱。两家公司目前都拥有了订单。但对大众来说,超音速旅行仍然很远。

未来航空业要近在人们眼前

世界上大多数城市的扩张都超出了自身地面交通基础设施的承载能力,但在已有格局内建造高速路和跌路的成本太高且会扰乱正常的生活和发展。航空业内一些人视此为增加“第三维”城市交通的良机。

有些人称之为飞行汽车、个人空中飞车或空中的士,最近的称呼是“随叫随到的交通工具”,但这一概念和航空业一样老——目的都在于用飞行器避开地面交通的限制。

支持者认为现有无人机技术和电力发动机再加上人们对替代地面交通的需求,空中的士将应运而生。但他们也承认,这种新交通工具的发展面临着许多障碍,比如安全性、认证、运营成本、操作要求、空域整合、噪音和污气排放等。

大部分障碍将首先由无人机的发展解决,包括小型无人机。首先要实现无人机在低空空域的安全运行,而且其噪音也必须能被人们接受。未来几年内,无人机建立城市快递服务定期线路的成功程度对于“打飞的”是否可行将至关重要。

未来航空业成本要更低

航空业有很多出名的“包袱项目”,比如波音“梦想客机”787的研发成本和复杂程度都远超预期。飞机制造商追求更高的效率,同时希望成本能更低。如今,股东、纳税人以及客户都要求研发方追究责任,所以项目的投入产出比成了一个关键问题。

发展更先进、更集成的设计工具有助于降低成本,比如能更精确地预测问题源的模型系统设计。在设计早期更多地利用计算机分析和优化能使研发人员拥有更多选择以优中选优应对相关要求。越来越多的工程和制造自动化也在降低周期时间和成本。

然而,与此同时,从物料到制造的一系列科技进步也在增加工程师任务的复杂性。增材制造实现了多功能部件的3D打印,但另一方面,最近的一些项目也在告诉我们相关要求必须经过讨论和定义才能确立,而且必须有一定的边界。新技术在登上平台前必须经历应有的过程。

不过,只有全新的下一代飞机才能告诉我们波音787带来的启示是否被发展者记在了心里。空客和波音已经认识到新一代的飞机不能持续在成本上超过上一代。全新的下一代单通道飞机可能不会在2030年之前进入市场,但那时一定会涌现出大量先进科技,而这些科技一定会在航空业为自己找到安身之处。



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