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【展望】这些炫酷科技将改变未来航空业!

 2017-02-28 来源:民航资源网 作者:李晓燕  [投稿排行榜]
2017-02-28 16:50:32

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[摘要] 100多年来,航空业见证了无数突破性的科技进展,未来呢?把时间缩短一点,接下来的20到40年内呢?随着航空业第二个100年的展开,我们为大家盘点了航空业如今正在发展且最具前景的技术和产品。虽然因为安全性和可靠性方面的影响,航空业对3D打印技术的态度仍然谨慎,但航空业内对这种技术的应用速率也是前所未有的。
【展望】这些炫酷科技将改变未来航空业!

未来可能出现的飞机新外形。图片来自《航空周刊》

  民航资源网2017年2月28日消息:100多年来,航空业见证了无数突破性的科技进展,未来呢?把时间缩短一点,接下来的20到40年内呢?随着航空业第二个100年的展开,我们为大家盘点了航空业如今正在发展且最具前景的技术和产品。

  无人机将无处不在

  精准农业生产、基础建设检查、建筑业、房地产、航拍——虽然目前无人机的使用受到严格管制,但利用无人机协助生产作业已经是许多行业的日常现实。

  美国航空管理局(FAA)不久前发布了首个小型无人机的使用规章,要求无人机必须在白天并于视距内操纵,但目前巨大的压力正在推动FAA将无人机的操纵管制放宽到视距外和晚上。

  一旦无人机的操纵被放松到视距外,净重55磅(约25公斤)以下的小型无人机在近期内将拥有巨大的商业市场。由于客户们需要数据,这一市场将由“无人机服务”的商业模式主导。

  接下来最有可能出现的市场应用是无人机快递,比如城市客户包裹快递或灾区医疗物资供应,但这需要确保多种飞行器(载人飞机和无人机)都能安全高效地进入并在低空空域飞行。目前美国航空航天局(NASA)正在展开无人机交通管理研究项目对这一问题进行探究。

  超高涵道比

  商业飞机涡扇发动机越来越大,因为更大的涡扇和更高的涵道比带来的是更高的推力效率和更低的燃油消耗。相比如今最新引擎10-12.5的最大涵道比,21世纪20年代初投入服务的涡扇发动机的涵道比将到达15-20。相应地,这将迫使机翼和起降架设计出现改变,同时也可能改变飞机的整体布局和引擎的安装位置。

 

  研究倾向于认为未来的涡扇发动机将会由齿轮传动,扇片将更大,但最终的引擎罩拉力和重量将限制齿轮的半径。如果市场或管制方在降低燃油消耗和排放方面要求更高的涵道比,开式转子发动机依然是一种发展选择。开式转子发动机带来的机场噪音和飞机安全影响问题还需要得到进一步解决,不过研究还在继续。

  空气动力或将突破性发展

  在飞行器设计的发展中,空气动力学得到了持续的推进,但极少出现突破性的进步。不过,未来提升燃油效率的研究可能导致空气动力学设计方面的巨大变化,其中包括更窄、更灵活的机翼,自然层流和主动流控制,以及非传统的构型。

  层流可以减少拉力,但对机翼设计的误差容忍度极低,在生产方面难以实现,同时要求机翼的表面保持平滑。但飞机在飞行时很难完全保持完全洁净。不过,为了探索将拉力大幅度减小的可能性,欧洲和美国的研发人员正在进行生产及保持层流机翼飞行的研究。安装层流机翼的飞机有望于2030年前进入市场。


  更窄、更灵活的机翼可以减少拉力和重量,但需要新的结构性和控制技术避免震颤。目前正在发展的技术包括利用定向偏向式复合材料或金属3D制造实现结构的被动空气弹性定制,以及对机翼可移动表面进行活动控制以降低操纵的影响和阵风负荷,同时抑制震颤。

  高速巡航是空气动力研究提升的焦点之一,另一个焦点是低速高空拉升以及利用弹性或变形表面适应机翼形状同时降低传统襟翼产生的噪音和拉力。主动流控制也可以增加起飞和降落性能,降低噪音,同时(NASA和波音的测试表明)增加方向舵效率使尾翼更小。

  神奇的3D打印技术

  从食品到化工,增材制造(或者说3D打印技术),受到了各个行业的欢迎。虽然因为安全性和可靠性方面的影响,航空业对3D打印技术的态度仍然谨慎,但航空业内对这种技术的应用速率也是前所未有的。


  3D打印技术首先以制造复合材料进入航空业,这种技术帮助实现了原型和一些低强度飞行部件的快速制造。但随着金属增材制造(金属3D打印)流程的成熟,业内对3D打印技术利用迎来了井喷式增长。

  航空业制造需要从已造部件上移除大量金属,而增材制造可以大幅度降低昂贵金属(如高强度轻金属钛和镍片)原料重量与完成部件的比率。

  首先航空业必须确保3D打印生产的部件和传统方式生产的部件一样可靠,或者更可靠,以获得行业认同和适航许可。这正在成为现实:GE航空正在用这种技术生产燃油喷嘴,Avio Aero也在利用这种技术产生钛-铝涡轮片。

  3D打印最初生产的部件利用激光或电子光束融化金属粉末。但飞机构架由许多更大的部件构成,这需要更大工作容量的机器。可以产生更大部件的激光剥线机目前正在进入生产。

  3D打印技术已经可以帮助人们优化部件设计,使用料更少,成本更低,重量更小。随着时间的发展,人们将可以利用3D打印技术控制部件全部材料的微结构以实现部件性能最大化,并且最终实现新材料定制生产。

  在宇宙飞船上安装3D打印部件已经成为现实,而硅谷新秀Made In Space公司正在探索在空间中实现3D打印生产的可能性——生产如反射器、支架或用以实现地面交流的光纤等部件。

  头戴式和触摸显示器

  驾驶舱从来都是最新科技的秀场。如今商业市场正在掀起穿戴式科技的风暴,对于航空业来说,第一步就是发展可以最终取代平视显示器的头戴式近眼显示器。

  艾尔比特系统公司和泰雷兹集团正在研发应用于商业飞机(尤其是小型飞机)驾驶舱的头戴式显示器。艾尔比特系统公司目标于2017年将其SkyLens头戴式显示器在ATR涡旋飞机上进行认证。NASA和欧洲研究人员目前在实验增强技术的过程中也利用头戴式仪器和传感器检测及躲避危害。

  触摸屏幕也正在进入商业飞机的驾驶舱。洛克维尔·柯林斯公司为波音777-X生产了触摸式屏幕,而航空电子生产商们也希望快速得到认证以进一步减少驾驶舱的工作量。霍尼韦尔公司正在研发可监控大脑活动的技术以感知飞行员的工作量是否过大或飞行员是否处于走神状态,这一技术还有可能控制一些驾驶舱内的功能。

  电传飞行控制系统如今越来越多地利用在小型飞机内,这一系统引进了飞行包线保护,今后将和未来的电动轻量飞机相互促进发展。FAA认为未来将出现可实现飞机自动起降的飞行控制系统、“反坠毁”危险躲避系统、4-D航道管理和超直观显示器等,这些都将减少驾驶舱对人类飞行员的需求。

  商业化空间站

  随着货运需求越来越大,NASA正在着手建立一个商业近地轨道,预计载人飞行将于2018年开始。目前,这条飞往太空的“铁路”上只有国际空间站这一个目的地,但以后将会有更多。

  按照计划,国际空间站的运行将持续到2024年。但一些企业家希望将这个空间站用作商业空间站的起点。国际空间站内已经存在私人领域的尝试性活动,比如NanoRacks将国际空间站用作其商业“立方卫星”回收空间物体的发射平台。毕格罗宇航公司的充气式载人空间站原型也已经在国际空间停泊了两年。

  毕格罗宇航公司正在和NASA谈判以在国际空间站内增加一个全尺寸的可扩展型载人空间站,将其中的330平方米的内部空间用来进行商业运营,同时计划在2020年实现前两个舱的发射。毕格罗宇航公司认为轨道内卫星制造的前景广阔。

  新成立的Axiom Space公司计划建立一个小型商业空间站,和毕格罗宇航的B330一样,这个空间站在起初只有一个舱位联接在国际空间站上,直到第二个安装了太阳能板和推进器的空间舱到达并将其带到更适于商业发射的较低轨道上去。

  Axiom的铝制载人空间站将基于国际空间站现有的空间舱进行建造,但Axiom还有有更远的构想。Axiom希望在未来10年内建造一个自由飞行的轮转式空间站,它会缓慢转动在轮环上制造重力。参见《2001:太空漫游》。

  空中交通时代或将到来

  无人驾驶汽车技术的进步重新燃起人们对发展空中交通的希望,更简单、开放的个人空中旅行成为陆地交通的另一种选择,尤其在交通拥堵的城市区域更是如此。

  无人驾驶飞行需要发展自动飞行控制和空域管理技术,以及可以自动躲避危险和防碰撞所需要的传感器和算法,因此无人驾驶飞行有望带头促进这些技术的发展。

  NASA等机构认为电力推动、自控、交流和感知科技的融合产生了新的市场,硅谷数家新成立的公司和其它公司已经开始研发相应载体以应对该市场的“按需流动性”。

  要出现普通人可以驾驶的空中出租车或完全自动的载人飞机,我们可能还要等很多年。因为相关方面需要克服市场接受和认证等重重困难,同时还要解决能源效率或噪音等问题。

  组装线效率猛增

  碳纤维复合材料降低了飞机的重量同时提升了性能,但也使生产更加困难,因为材料是和部件同步生产的。生产商们希望未来飞机的建造效率更高、成本更低,目前的一个解决方向是减少复合材料生产使用的劳动力和时间。

  自动化是主要驱动力之一。如今自动化纤维铺放已经开始取代人工铺放,而且在经济可行的情况下,自动化带状铺叠也进入生产中。庞巴迪C系列飞机的碳纤维飞机就利用首先铺叠易处理的干纤维然后在固化成形过程中注入树脂的方式制造。

  不同于预浸料坯(树脂)的碳纤维,干纤维不需要控温储藏,并且能用来实现复杂的形态然后进行树脂传递塑模。因此材料外表可以被合成,并与纹理、条状或其它形态共同成形从而简化组装。

  昂贵的固定工具作业可能成为生产瓶颈,这包括现今用来完成产品成形的高压釜。无需高压、在生产线上的真空袋和移动炉内就能完成成形过程的复合材料正在被越来越广泛地应用。

  但要最小化复合压层材料的维度变化,设计和流程进步是必不可少的。要实现复合结构劳动密集的组装线完全自动化以及取消联接部件的机加工等,新设计和新流程的应用是至关重要的。

  新设计工具、制造模拟软件、流程控制、工具作业概念和机器人生产技术正在共同涌现(如欧洲Locomachs的研究项目成果),这让实现符合材料生产成本和时间大幅度降低充满了希望。

  自适应式发动机

  航空推进器经历了两次巨变:从螺旋桨到喷气机,从涡轮发动机到涡扇发动机。第三次巨变正在到来:自适应式或变周期式发动机。涡扇发动机产生两种气流(涵道内和涵道外),而自适应式发送机将拥有三种。可适应环境的扇片能够通过内核喷出更多气流从而产生更强的推力,或者通过涵道导管推气提升效率、降低燃油消耗,同时产生更多气流冷却飞机的系统。

  三气流涡扇发动机也可能用来实现未来的超音速商用飞机,其所带来的推力、燃油效率和低噪音将能应对环境方面的要求。

  飞机将有新形状

  传统的机舱加机翼式飞机是航空业的主流,但研究未来20到40年发展趋势的人员认为未来在这种配置下持续提高效率会遇到限制。一方面是因为涵道比增大、引擎体积增加使引擎的安置位置成为疑问,另一方面在于如何持续降低噪音使噪音的影响范围处于机场内。

  相关人员正在研究其它可以安置更大体积引擎的位置,比如在机翼上方或尾翼上,以及机身可以遮挡扇叶和/或喷气噪音的地方。后置引擎可以使机翼更洁净,从而更大程度利用可降低拉力的层流。另一种设想是飞机安装支架式机翼,这能使机翼更长、表面比率更高,从而降低拉力。

  不同于传统的设计有将涡扇发动机或电动推进器内嵌入尾翼与机身边缘层合并,并重新利用飞机尾流以减少拉力。著名的例子如Aurora Flight Sciences和麻省理工学院为NASA设计的“双-双”D8以及德国Bauhaus Luftfahrt发展的推进式机舱概念。

  更不走寻常路的设计是融合式或混合式机翼机身(BWB/HWB),这种机翼的空气动力和结构效率更高。有人怀疑这种设计不适于搭载乘客,但很可能成为未来的货运/空运机形状。涡扇发动机、开式转子或分布式推进器可能被安装在机舱上方,让宽阔的机身提供良好的遮蔽效果。

  超高速将成现实

  在几十年断断续续的研发后,吸气式超音速推进器正在慢慢变为现实。但要让吸气式发动机在起跑后加速到5马赫以上的时速,并在可重复利用的初期于近地轨道上进行空中监测或载客,我们还有很远很远的路要走。

  空间飞行器可以利用如英国Reaction Engines公司研发的SABRE动力装置,这一发动机拥有吸气运行和火箭运行两种模式。在大气层内,吸入的空气由一个热交换器预先冷却,然后在火箭内和液体氢混合燃烧。在大气层外,SABRE可以变成一个传统的火箭。Reaction Engines计划在2020年建造一个全尺寸SABRE发动机原型并进行地面测试。

  太空太阳电能推进装置

  人类对太空的探索距离越来越远,而化学动力推动器的限制使人们不得不寻求其它支持技术,其中就包括太阳能电动推进器。

  就火星探索而言,由于航行时间长,宇航员到达之前必须在火星预设其所需的装备和物资。太阳能电动推进器能以缓慢但高效的方式将体积较大的物资带进轨道并最终达到火星表面。

  由于安装了高能太阳能板带动的电动推进器,太阳能电动推进系统的推动力相比于化学动力推进器要小得多,但效率却可达后者的10倍。这大大地减少了所需的推进物和发射物料,因此是运送装备到火星的实用选择。

  此外,核热火箭发动机也是未来航天器的理想选择。核热火箭在核反应器内将液体氢加热,并将其喷出火箭罩从而制造推力。在资金允许的情况下,NASA希望在2022到2024年内对一个小型核热火箭进行测试,并于未来10年内在月球探测中对核热火箭发动机进行飞行测试。

  驾驶舱视景系统再升级

  合成视景系统(SVS)和增强视景系统(EVS)在大型商业飞机的驾驶舱内很常见,这些系统能帮助飞行员在可见度低的情况下安全降落。现在,结合了以上两种系统的综合视景系统(CVS)也进入人们的视野,这一系统旨在提升飞行员的情景意识以及时刻可靠性。

  增强视景系统利用一个前视红外传感器增强飞行员对外部世界的观察,外界情景通常会投射在头戴式显示器上。合成视景系统利用数据库对外界进行虚拟式显示,通常显示在平视显示器上,但也能在头戴式显示器内与增强视景系统相结合。

  随着低成本非致热传感器和多光谱传感器(从红外长波到光学短波)的发展,增强视景系统也得到了巨大发展。艾尔比特系统公司的ClearVision系统拥有6个包括短波红外和可见光的传感器,研发人员正在扩展该系统以探测如火山灰等其它威胁安全的因素。

  长远看来,安装在无人驾驶飞行器上用以自动探测躲避其它物体的传感器和系统有望进入人工驾驶飞行器内,毕竟,未来的空域将越来越复杂,交通工具也将多样化,这些都能成为帮助飞行员安全驾驶的利器。

  商业飞机超音速飞行

  商业飞机发展的焦点一直是在亚音速飞行的基础上提高燃油效率,但提高速度如今再次进入人们的视野。NASA正在研究将声爆最小化,从而去除这个在经济和环境上限制超音速飞机运营的重要原因。但减少机场噪音和提升巡航效率方面也需要更多研究。

  NASA计划在2019年对安静超音速交通(QueSST)的X飞机进行测试。这一飞机的外形经过严密的特殊设计,目的在于将声爆降低到大众可以接受的程度。届时,人们对测试航班的回应评价可能会成为促使管制者取消超音速飞机禁令的开端。

  Aerion公司等生产商认为不久的未来将出现超音速商务机市场,但湾流、波音和其它生产商则认为除非将声爆降低到75分贝这种程度,否则超音速商务机或小型客机在经济方面都不具有吸引力。

  研究证明,超音速飞机从伦敦飞往悉尼只需2小时,不过,要想在商业上可行,研究人员还需研发出符合安全、可靠性和效率要求的推进系统。

  电力梦想或许将成真

  虽然发展仍处于初步阶段,但电动推进装置吸引了很多人的注意力。有了如今的锂离子电池,全电动力飞机已经成为现实,但再大一些的飞机可能需要混合推动力装置,比如通过低温降温超导系统驱动分布式扇片的涡轮电动发电机。

  如今市场上已经出现全电动两座训练机,混合电力四座飞机也即将面世。NASA计划在2020年以前研发出9座的“细长型”通勤机。欧洲和美国的研究者认为在2030年前可以研发出100座以下的混合电力客机。但这些都需要能源储存方面出现突破性发展。

  电动力利用可再生能源,因此可以实现零碳排放,此外,电动力还可以实现飞机的新异构型,使分布式推进力与空气动力互相结合互相促进作用。想想吧,从多转子、可垂直起降的空中出租车到在尾翼安装嵌入式发动机、利用尾流降低拉力的大型客机,多酷!

  低纬度商业飞行平台

  平台和负载能力方面的提升将促使小型无人机进入诸多新兴的低维度市场,比如基础设施检查到包裹快递,而商业方面更大、负载力更强的平台也有望成为现实。

  其中一种是可以在平流层内停留数天或数周的高纬度耐久型飞机,这种飞机可以为偏远地区提供网络信号、灾后恢复通讯及导航或实现遥感功能,而且比卫星更廉价,反应速度更快也更敏锐。

  脸书和谷歌正在研发天阳能平流层无人机,欧洲也在以两种不同的方式研发这种“准卫星”。泰雷兹Alenia Space研发的平流层巴士自动飞船可以在空中停留一年,预计于2020年前进入市场。(编译自《航空周刊》)

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