民航資源網(wǎng)2017年12月30日消息：據《航空周刊》報道，航空研究是漫長(cháng)的工程。一項技術(shù)從實(shí)驗室到生產(chǎn)可能需要20年或更長(cháng)的時(shí)間。所以，航空業(yè)已經(jīng)決定了未來(lái)10年的路徑，而走向未來(lái)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(jīng)開(kāi)始繪制這些路線(xiàn)圖了。

未來(lái)的航空業(yè)要更清潔

不是每個(gè)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(cháng)，以免影響到航空旅行未來(lái)的擴張。這一共同承諾正在驅動(dòng)如今的航空研究并塑造著(zhù)航空業(yè)的未來(lái)。

隨著(zhù)航空業(yè)正在奮力保持并加速創(chuàng )紀錄的效率提升速度以保持并實(shí)現預測的航空旅行增長(cháng)，業(yè)內還在探索能使拉力更小的航空動(dòng)力學(xué)、更輕的結構、更高效的發(fā)動(dòng)機、系統電力化、精簡(jiǎn)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(shí)現歐洲和美國為研究設置的長(cháng)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(cháng)。

但歷史趨勢以年代為基礎單位呈現?？湛陀?016年投入市場(chǎng)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(shù)的提升，這一數字到2020年將達到20%，但整體而言，這個(gè)提升比率還是太低。

根據現今的產(chǎn)品發(fā)展速度，飛機制造商們每20到30年能實(shí)現15%到20%的效率提升。歐洲設置的目標是相比2000年的技術(shù)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(fā)動(dòng)機。發(fā)動(dòng)機制造商計劃以每年將效率提升1%的速度進(jìn)入本世紀20年代。但要實(shí)現上述目標，這是不夠的。

研發(fā)前進(jìn)的每一步都來(lái)之不易。普惠在20年內投入了100億美元才發(fā)展出PW1000G齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)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(lái)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(fā)動(dòng)機之外的相關(guān)科技能發(fā)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(zhù)眼長(cháng)期的研發(fā)人員探索新飛機構型和動(dòng)力結構的原因。

NASA的研究表明，在采用先進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)、結構和新型發(fā)動(dòng)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(jìn)一步提升效率則需要新的思維方式?；旌蟿?dòng)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(fā)動(dòng)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(guò)主動(dòng)震顫抑制減少拉力，再加上空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)步能實(shí)現自然和混合動(dòng)力層流，因此圓筒機身加機翼的設計將能持續作為主流進(jìn)入本世紀30年代。但要配置更大半徑、更高涵道比的發(fā)動(dòng)機，飛機需要非后掠翼布局或將發(fā)動(dòng)機安置在機翼上方。

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

最終，航空業(yè)將擺脫石油燃料的束縛。利用可持續性資源生產(chǎn)的合成式燃油可能會(huì )讓液體燃油再存在幾十年，但要持續降低碳排放，航空業(yè)最終將需要利用另一種能源。我們希望電池可以實(shí)現跨越式發(fā)展并成為航空業(yè)的主流動(dòng)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(yè)能擁有一個(gè)更清潔的未來(lái)。

未來(lái)的航空業(yè)要更安靜

飛機的噪聲很大，所以建新機場(chǎng)要獲審批難于登天，增加或擴張跑道有時(shí)需要數十年的時(shí)間，而在一座繁華都市的市區保留一個(gè)直升飛機場(chǎng)需要打一場(chǎng)硬仗。再加上超音速飛機、無(wú)人機和“空中的士”的加入，噪音成了航空業(yè)未來(lái)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(cháng)，但機場(chǎng)未來(lái)承受的地理位置壓力將越來(lái)越大。除非機場(chǎng)能在不擴大影響的情況下增加運營(yíng)能力，否則高速火車(chē)或高速地鐵將使航空業(yè)在短途旅行方面沒(méi)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(shí)降低油耗和噪音，但兩者可能匯合到一條線(xiàn)上。越來(lái)越高的涵道比意味著(zhù)發(fā)動(dòng)機短艙將越來(lái)越苗條，因而產(chǎn)生噪音的區域也越來(lái)越小。而在開(kāi)放轉子的情況下，發(fā)動(dòng)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(fēng)扇越大，發(fā)動(dòng)機可能會(huì )越安靜，但如果發(fā)動(dòng)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(lái)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(chǎng)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(lái)源（起降架、縫翼等）或通過(guò)更順暢的升力系統降低噪音外，發(fā)動(dòng)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(guò)調整使機身和機翼起到遮蔽渦扇或發(fā)動(dòng)機噪音的作用。NASA的研究顯示，將發(fā)動(dòng)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(dòng)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(kāi)放轉子設計的關(guān)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(jìn)步。最新一代的直升機更安靜，到2020年，正在發(fā)展的技術(shù)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(chǎng)并使直升飛機發(fā)揮更大作用，還需要更多進(jìn)步的支撐。

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

未來(lái)的航空業(yè)要更快

全球范圍的通訊和商業(yè)駕著(zhù)信息技術(shù)演進(jìn)之風(fēng)加速發(fā)展，但航空旅行并沒(méi)有變快，相比以前甚至還變慢了?，F實(shí)需求和航班速度之間越來(lái)越大的差異是不是意味著(zhù)超音速飛行即將回歸？

從波音的高級執行官到新秀企業(yè)家，許多業(yè)內人士相信超音速將回到航空業(yè)。但那是什么時(shí)候？新秀企業(yè)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(gè)障礙被消除的時(shí)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(lái)自于環(huán)境和經(jīng)濟兩個(gè)方面——聲爆、噪音、污氣排放、燃油和成本。1999年，業(yè)內稱(chēng)乘客不會(huì )為速度支付高票價(jià)，于是NASA放棄了研發(fā)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(jīng)濟可行性的關(guān)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(dòng)，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(guān)社區的回應。隨后這些數據將提供給美國聯(lián)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(fā)超音速飛機X-plane將會(huì )是一款80-100座、時(shí)速1.6-1.8馬赫的飛機，速度比協(xié)和號慢，但聽(tīng)覺(jué)聲爆僅為75分貝（協(xié)和號是105分貝）。再加上空氣動(dòng)力學(xué)和發(fā)動(dòng)機的改進(jìn)，這款飛機的油耗比協(xié)和號少1/3，因此經(jīng)濟上可行性更高。

有些渴望高速度的發(fā)展者不愿等待。Aerion希望在2016年中期推出時(shí)速為1.5馬赫的12座商務(wù)飛機，并在2023年前開(kāi)始交付。而B(niǎo)oom Technology計劃在2017年底開(kāi)始試飛其時(shí)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(wù)艙競爭。

兩者的設計都不能實(shí)現低音爆飛行，且都依賴(lài)于效率提升以實(shí)現經(jīng)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(chǎng)存在與否的先驅。兩家公司目前都擁有了訂單。但對大眾來(lái)說(shuō)，超音速旅行仍然很遠。

未來(lái)航空業(yè)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(huì )擾亂正常的生活和發(fā)展。航空業(yè)內一些人視此為增加“第三維”城市交通的良機。

有些人稱(chēng)之為飛行汽車(chē)、個(gè)人空中飛車(chē)或空中的士，最近的稱(chēng)呼是“隨叫隨到的交通工具”，但這一概念和航空業(yè)一樣老——目的都在于用飛行器避開(kāi)地面交通的限制。

支持者認為現有無(wú)人機技術(shù)和電力發(fā)動(dòng)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(fā)展面臨著(zhù)許多障礙，比如安全性、認證、運營(yíng)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(wú)人機的發(fā)展解決，包括小型無(wú)人機。首先要實(shí)現無(wú)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(lái)幾年內，無(wú)人機建立城市快遞服務(wù)定期線(xiàn)路的成功程度對于“打飛的”是否可行將至關(guān)重要。

未來(lái)航空業(yè)成本要更低

航空業(yè)有很多出名的“包袱項目”，比如波音“夢(mèng)想客機”787的研發(fā)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(shí)希望成本能更低。如今，股東、納稅人以及客戶(hù)都要求研發(fā)方追究責任，所以項目的投入產(chǎn)出比成了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)展更先進(jìn)、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(wèn)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(yōu)化能使研發(fā)人員擁有更多選擇以?xún)?yōu)中選優(yōu)應對相關(guān)要求。越來(lái)越多的工程和制造自動(dòng)化也在降低周期時(shí)間和成本。

然而，與此同時(shí)，從物料到制造的一系列科技進(jìn)步也在增加工程師任務(wù)的復雜性。增材制造實(shí)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(guān)要求必須經(jīng)過(guò)討論和定義才能確立，而且必須有一定的邊界。新技術(shù)在登上平臺前必須經(jīng)歷應有的過(guò)程。

不過(guò)，只有全新的下一代飛機才能告訴我們波音787帶來(lái)的啟示是否被發(fā)展者記在了心里?？湛秃筒ㄒ粢呀?jīng)認識到新一代的飛機不能持續在成本上超過(guò)上一代。全新的下一代單通道飛機可能不會(huì )在2030年之前進(jìn)入市場(chǎng)，但那時(shí)一定會(huì )涌現出大量先進(jìn)科技，而這些科技一定會(huì )在航空業(yè)為自己找到安身之處。