未来飞机给你“好看” 环保为设计首要目标

民航

2011-08-01 《中国民航报》 记者胡海波

　图1：帝国理工学院设计的飞机根本没有尾翼。

　不同于上世纪飞机“速度至上”的设计理念，进入21世纪以来，随着低碳理念的深入人心、环保压力日益增大，越来越多的设计者将“低碳环保”视为飞机设计的首要目标，他们从外形、材料、发动机等多方面入手，努力提升飞机的环保性能。

 

　　今年年初，美国国家航空航天局（NASA）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。

 

　　巧合的是，几乎在同一时间，两个致力于未来飞机研究的团队也分别公布了自己的设计方案，他们分别来自麻省理工学院和伦敦的帝国理工学院。在他们看来，他们的方案完全可以凭借现有的技术将燃油消耗减少一半。

 

 

　　图2：芬兰航空公司设计的微型直升机。此直升机的外部大部分是由太阳能电池构成，为直升机提供动力。

 

 

 

外形篇：颠覆传统　势在必行

 

　　NASA公布的下一代宽体客机的3种方案分别是波音公司的“翼身融合式”飞机，诺斯罗普·格鲁曼公司的“双机身”飞机，以及洛克希德·马丁公司的“盒式机翼布局”飞机。

 

　　在波音公司的设计方案中，通过将机翼和机身融为一体，飞机的升力得到大幅度提高，但在低速飞行时，其控制则需要相关设备的辅助来完成。诺斯罗普公司的“双机身”方案采用“V”形设计，驾驶舱则位于飞机中央，在其两侧各有一台发动机。洛克希德·马丁公司则将飞机的超大双路式涡轮喷气发动机安装在垂直尾翼上，而不是在机翼的底部。

 

　　麻省理工学院将他们的设计方案命名为D系列飞机，与传统设计不同的是，它的机身更像是由两个传统圆柱体机身合并而来，其宽大的机身、倾斜向上的机头，为飞机提供了额外的升力。另外，D系列飞机的机翼更长、更薄，在满足升力要求的同时也减轻了质量。发动机则被安装到了飞机的尾部，并且采用双垂直尾翼，这样可以使偏航大大减少。

 

　　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。

 

　　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。

 

 

　　图3：D系列飞机的机身由两个传统圆柱体机身合并而成。

 

 

 

材料篇：节能环保　越轻越好

 

　　1902年，当莱特兄弟设计世界上第一架飞机时，他们遇到的最大挑战之一就是设计一个更轻些的发动机，因为当时的发动机太重了，飞机根本就飞不起来。从那以后，减轻重量就一直是设计发动机需要解决的问题之一，但与莱特兄弟不同的是，现在的飞机设计者们需要减轻的不仅仅是发动机的重量，而是整架飞机的重量。因为飞机越轻，所需要的升力就越小，飞机的阻力也会随之减小，燃油消耗也就越少。

 

　　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%”。

 

　　随着技术的进一步发展，空中客车公司和波音公司已经开始建造大面积采用复合材料结构的飞机。据波音公司资料显示，老款波音747飞机只有1%的零部件采用了复合材料，而波音757和波音767飞机的复合材料使用率也仅为3%。随着经验的积累，波音公司在制造后来的波音777飞机时，将复合材料使用率提高到了11%，而最新的波音787更是一跃达到了50%。空中客车方面，世界上最大的客机——空中客车A380飞机在尾翼、尾部整流器、翼肋等多个地方都使用了复合材料。有消息称，空中客车A380在中央翼盒上因为使用复合材料减去了足足1.5吨的重量。而即将投产的空中客车A350飞机的复合材料使用率更是高达53%。

 

　　未来，虽然还没有具体的数据能够表明未来飞机的复合材料使用率将会达到怎样一个程度，但飞机越来越轻的趋势将是不可避免的。

 

 

　　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。

 

 

 

发动机篇：混合动力　不是不可能

 

　　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。

 

　　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。

 

　　作为轻型飞机的制造商，赛斯纳公司也开始进军快速发展中的电动交通工具市场。通用电气公司和赛斯纳公司的研究表明，使用液态氢质子交换膜燃料电池的纯电力发动机，可以将燃料消耗降低75％，但是发动机和燃料的重量及体积也会随之大大增加。

 

　　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。

 

　　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。

 

 

　　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。