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未来飞机:让梦想插上科学的翅膀

发布时间:2019-12-04 05:45:07

在很多科幻电影中,我们都能看到导演在精美的画面中插上想象的翅膀,让未来的飞行器在高楼中自由穿梭,垂直起降,光速飞行,这大概是我们对未来飞行的期望。然而,想象终究是浪漫的,现实还是要遵循科学的发展。

有人一定会有这样的疑问,民机作为上个世纪最伟大的发明,在其前50年的发展历史上,从无到有,从小到大,从木质到金属,从螺旋桨到喷气式,发展变化日新月异。但为何在上个世纪的后50年,民机气动布局的形式却一直没有我们期待中的重大突破?

事实上,自上个世纪60年代以来,民用航空开始更多地考虑运输成本和环保指标,在这种背景下,飞机始终维持了传统的气动翼型,样子变化不大。但在50年前,人们是难以想象像空客A380这样的“巨无霸”能在天空翱翔的。如今,飞机的制造更多地采用了复合材料,使得飞机越来越轻,飞行速度更快。因此地球上任何两个点对点的飞行已经成为了现实。同时,近50年来,民用客机的能量消耗降低了70%。像空客A380这样的飞机在空中飞行100公里,一名旅客消耗的燃料只有不足3升。飞机的废气排放量越来越少,变得更加绿色环保,而且这个指标还在随着发动机的技术改进而变得更好。

那么,民用客机的发展趋势是什么?未来的飞机究竟会是什么样子?我们还要多少年能实现“自由”飞行的目标?

未来飞机评价准则

毫无疑问,航空运输业会在未来50年里得到更加突飞猛进的发展。届时,地球上的人口数量将是现在的2倍,而相较于地面交通,航空有着无可比拟的环保性,能更少地利用土地,更充分地利用广阔的空间,并能更好地维持生态平衡。因此,到2050年,飞机的数量预计将会是现在4倍~5倍。在未来的50年里,飞机将会更加强调安全性、经济性、环保性和舒适性,这也是未来民用客机发展的唯一评价准则体系。

在这种趋势下,未来自动飞行将全面接管人类对飞机的操纵,飞机对天气的依赖程度会大幅度降低。同时,飞机通过计算机实行了全面的自动化管理,飞机的故障和维护也将全面数字化和模块化。因此,飞机的故障率将大大降低,很多在空中发生的故障,飞机只要通过和地面的数字交联就可以直接进行处理。那么,飞机上是否还需要飞行员?答案应该是肯定的。飞行员和飞机的关系,正如人类和机械的关系,会永远在哲学命题和科学角力中和谐并存。

民机制造业还将重点从气动设计、推进系统、材料以及系统技术方面入手,力求增强飞机的安全性,降低耗油和制造、维护成本,提高飞机经济性,降低推进系统噪声,减少污染物排放。

尤其是在保护环境方面,各国政府和民航监管部门都对未来民用客机在能源效率、排放噪音等方面进行了研究,意欲使飞机变得更安静、更环保、更经济、更方便。同时,力求氮氧化物排放比现有标准降低1倍以上,燃料消耗降低100%以上,并能具备优化使用多座机场跑道起降的能力,即大型飞机要能在1000米长的机场跑道上起降,以减少空中交通拥堵和延误。

如今,民用客机的二氧化碳排放量是全球二氧化碳总排放量的2%,未来50年的目标是将其减少到现在的1/2,达到1%。因此,未来的客机很有可能摆脱日益昂贵的石化燃料,而会采用能增加航程、降低成本的生物燃料,并使用新能源电池,让清洁的太阳能,为机舱提供电力,甚至提供飞行动力。

突破传统气动布局

面对越来越苛刻的环保要求,和对航空器速度和效率的无限追求,沿用几十年的传统飞机气动布局必定会有所突破,而只有采用创新的、非常规布局才能实现这些目标。所以,使用机翼/机身融合体(BWB)或混合机翼/机身(HWB),被认为是未来大型民用客机大幅提高气动效率和环保性能的最有发展前景的一种布局。

在这种气动布局的基础上,飞机客舱材料也具有自动清洁和自我修复功能;客舱布局可以根据乘客的需要随时组成办公室、卧室或者任何你想要的布局。飞机的制造材料也不仅仅是金属和塑料,而是更加坚固、轻便的复合材料和可回收的植物纤维。此外,纳米材料的使用,将大大降低飞机表面的摩擦力,并提高发动机效率。

未来,随着新型材料的使用,飞机可以是透明的,乘客可以在高空直视地面的美景,飞机还能利用阳光控制机舱内的温度。这一概念的机舱壁结构是模仿鸟类的骨骼,通过仿生学技术来设计的,这一技术让机舱壁可以拥有足够的坚硬度,同时变得透明。

有机构做过一次普查,1/3的受访者称,对2050年空中飞行的预期是希望旅行像度假一样舒适。所以,飞行体验也将很大程度上决定未来飞机的设计理念。未来飞机提供的服务在于,让不同的乘客能够享受到不同的服务,主旨是“让乘客延续在地面上的生活”。这不同于现在飞机对乘客乘坐位置划分为不同舱位的方式,未来的飞机将被划分为娱乐区、休闲区和工作区,甚至有可能一次乘机体验就是一次高尔夫比赛或者是一次办公会议。

尽管未来的飞机数量将会是现在的4倍~5倍,但航班却更加准时正点。飞机采用更高效的导航监控和信息技术,采用编队飞行,每架飞机的安全距离会大大缩短,效率会大大提高。

此外,未来客机的分工会更加明确,大飞机会越来越大,小飞机则会越来越小。大飞机适合于执行跨洋的远程航线飞行任务,提供大量的旅客运输,无论地球上两点之间的距离有多长,航行时间都能少于3小时。此外,飞机上会有赌场、餐馆、电影院以及娱乐设施,让空中旅行变成一种娱乐。而小飞机则会变成飞行的“汽车”概念,在未来会给人类提供更多元的空中旅行方式——垂直起降,快速短距离穿梭,或者向大航空器中转,其小型、高效的发动机的能源只是太阳能或电池。

也许在不久的将来,乘飞机就像坐地铁和公共汽车一样方便快捷。乘客甚至可以在飞机到达之前先进入“模块化的机舱”,就像现在先把行李和货物放到集装箱里,等飞机到达时再被快速装到飞机上一样。

也许人类真的能在未来的50年~100年的时间里,使用超导技术让人类彻底摆脱地球引力束缚,让所有的飞行器(车辆)在电磁轨道里穿行,这才是航空器最为革命性的改变。

探索未来,是人类文明一种重要的表达方式。预见未来既是艰难也是乐趣,不管将来的发展是否符合我们的预期,但有一点是肯定的,在接下来的50年时间里,人类都会插上科学和梦想的翅膀,更自由地在天空中翱翔。未来飞行世界的最终边际,应该是整个宇宙。

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