【展望】這些炫酷科技將改變未來航空業！
2017年3月1日
[摘要] 100多年來，航空業見證了無數突破性的科技進展，未來呢？把時間縮短一點，接下來的20到40年內呢？隨著航空業第二個100年的展開，我們為大家盤點了航空業如今正在發展且最具前景的技術和產品。雖然因為安全性和可靠性方面的影響，航空業對3D列印技術的態度仍然謹慎，但航空業內對這種技術的應用速率也是前所未有的。
未來可能出現的飛機新外形。圖片來自《航空週刊》
100多年來，航空業見證了無數突破性的科技進展，未來呢？把時間縮短一點，接下來的20到40年內呢？隨著航空業第二個100年的展開，我們為大家盤點了航空業如今正在發展且最具前景的技術和產品。
無人機將無處不在
精准農業生產、基礎建設檢查、建築業、房地產、航拍——雖然目前無人機的使用受到嚴格管制，但利用無人機協助生產作業已經是許多行業的日常現實。
美國航空管理局（FAA）不久前發佈了首個小型無人機的使用規章，要求無人機必須在白天並於視距內操縱，但目前巨大的壓力正在推動FAA將無人機的操縱管制放寬到視距外和晚上。
一旦無人機的操縱被放鬆到視距外，淨重55磅（約25公斤）以下的小型無人機在近期內將擁有巨大的商業市場。由於客戶們需要資料，這一市場將由"無人機服務"的商業模式主導。
接下來最有可能出現的市場應用是無人機快遞，比如城市客戶包裹快遞或災區醫療物資供應，但這需要確保多種飛行器（載人飛機和無人機）都能安全高效地進入並在低空空域飛行。目前美國航空航天局（NASA）正在展開無人機交通管理研究專案對這一問題進行探究。
超高涵道比
商業飛機渦扇發動機越來越大，因為更大的渦扇和更高的涵道比帶來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世紀20年代初投入服務的渦扇發動機的涵道比將到達15-20。相應地，這將迫使機翼和起降架設計出現改變，同時也可能改變飛機的整體佈局和引擎的安裝位置。
研究傾向于認為未來的渦扇發動機將會由齒輪傳動，扇片將更大，但最終的引擎罩拉力和重量將限制齒輪的半徑。如果市場或管制方在降低燃油消耗和排放方面要求更高的涵道比，開式轉子發動機依然是一種發展選擇。開式轉子發動機帶來的機場噪音和飛機安全影響問題還需要得到進一步解決，不過研究還在繼續。
空氣動力或將突破性發展
在飛行器設計的發展中，空氣動力學得到了持續的推進，但極少出現突破性的進步。不過，未來提升燃油效率的研究可能導致空氣動力學設計方面的巨大變化，其中包括更窄、更靈活的機翼，自然層流和主動流控制，以及非傳統的構型。
層流可以減少拉力，但對機翼設計的誤差容忍度極低，在生產方面難以實現，同時要求機翼的表面保持平滑。但飛機在飛行時很難完全保持完全潔淨。不過，為了探索將拉力大幅度減小的可能性，歐洲和美國的研發人員正在進行生產及保持層流機翼飛行的研究。安裝層流機翼的飛機有望於2030年前進入市場。
更窄、更靈活的機翼可以減少拉力和重量，但需要新的結構性和控制技術避免震顫。目前正在發展的技術包括利用定向偏向式複合材料或金屬3D製造實現結構的被動空氣彈性定制，以及對機翼可移動表面進行活動控制以降低操縱的影響和陣風負荷，同時抑制震顫。
高速巡航是空氣動力研究提升的焦點之一，另一個焦點是低速高空拉升以及利用彈性或變形表面適應機翼形狀同時降低傳統襟翼產生的噪音和拉力。主動流控制也可以增加起飛和降落性能，降低噪音，同時（NASA和波音的測試表明）增加方向舵效率使尾翼更小。
神奇的3D列印技術
從食品到化工，增材製造（或者說3D列印技術），受到了各個行業的歡迎。雖然因為安全性和可靠性方面的影響，航空業對3D列印技術的態度仍然謹慎，但航空業內對這種技術的應用速率也是前所未有的。
3D列印技術首先以製造複合材料進入航空業，這種技術幫助實現了原型和一些低強度飛行部件的快速製造。但隨著金屬增材製造（金屬3D列印）流程的成熟，業內對3D列印技術利用迎來了井噴式增長。
航空業製造需要從已造部件上移除大量金屬，而增材製造可以大幅度降低昂貴金屬（如高強度輕金屬鈦和鎳片）原料重量與完成部件的比率。
首先航空業必須確保3D列印生產的部件和傳統方式生產的部件一樣可靠，或者更可靠，以獲得行業認同和適航許可。這正在成為現實：GE航空正在用這種技術生產燃油噴嘴，Avio Aero也在利用這種技術產生鈦-鋁渦輪片。
3D列印最初生產的部件利用鐳射或電子光束融化金屬粉末。但飛機構架由許多更大的部件構成，這需要更大工作容量的機器。可以產生更大部件的鐳射剝線機目前正在進入生產。
3D列印技術已經可以幫助人們優化部件設計，使用料更少，成本更低，重量更小。隨著時間的發展，人們將可以利用3D列印技術控制部件全部材料的微結構以實現部件性能最大化，並且最終實現新材料定制生產。
在太空船上安裝3D列印部件已經成為現實，而矽谷新秀Made In Space公司正在探索在空間中實現3D列印生產的可能性——生產如反射器、支架或用以實現地面交流的光纖等部件。
頭戴式和觸摸顯示器
駕駛艙從來都是最新科技的秀場。如今商業市場正在掀起穿戴式科技的風暴，對於航空業來說，第一步就是發展可以最終取代平視顯示器的頭戴式近眼顯示器。
艾爾比特系統公司和泰雷茲集團正在研發應用於商業飛機（尤其是小型飛機）駕駛艙的頭戴式顯示器。艾爾比特系統公司目標於2017年將其SkyLens頭戴式顯示器在ATR渦旋飛機上進行認證。NASA和歐洲研究人員目前在實驗增強技術的過程中也利用頭戴式儀器和感測器檢測及躲避危害。
觸控式螢幕幕也正在進入商業飛機的駕駛艙。洛克維爾·柯林斯公司為波音777-X生產了觸摸式螢幕，而航空電子生產商們也希望快速得到認證以進一步減少駕駛艙的工作量。霍尼韋爾公司正在研發可監控大腦活動的技術以感知飛行員的工作量是否過大或飛行員是否處於走神狀態，這一技術還有可能控制一些駕駛艙內的功能。
電傳飛行控制系統如今越來越多地利用在小型飛機內，這一系統引進了飛行包線保護，今後將和未來的電動輕量飛機相互促進發展。FAA認為未來將出現可實現飛機自動起降的飛行控制系統、"反墜毀"危險躲避系統、4-D航道管理和超直觀顯示器等，這些都將減少駕駛艙對人類飛行員的需求。
商業化空間站
隨著貨運需求越來越大，NASA正在著手建立一個商業近地軌道，預計載人飛行將於2018年開始。目前，這條飛往太空的"鐵路"上只有國際空間站這一個目的地，但以後將會有更多。
按照計畫，國際空間站的運行將持續到2024年。但一些企業家希望將這個空間站用作商業空間站的起點。國際空間站內已經存在私人領域的嘗試性活動，比如NanoRacks將國際空間站用作其商業"立方衛星"回收空間物體的發射平臺。畢格羅宇航公司的充氣式載人空間站原型也已經在國際空間停泊了兩年。
畢格羅宇航公司正在和NASA談判以在國際空間站內增加一個全尺寸的可擴展型載人空間站，將其中的330平方米的內部空間用來進行商業運營，同時計畫在2020年實現前兩個艙的發射。畢格羅宇航公司認為軌道內衛星製造的前景廣闊。
新成立的Axiom Space公司計畫建立一個小型商業空間站，和畢格羅宇航的B330一樣，這個空間站在起初只有一個艙位聯接在國際空間站上，直到第二個安裝了太陽能板和推進器的空間艙到達並將其帶到更適於商業發射的較低軌道上去。
Axiom的鋁制載人空間站將基於國際空間站現有的空間艙進行建造，但Axiom還有有更遠的構想。Axiom希望在未來10年內建造一個自由飛行的輪轉式空間站，它會緩慢轉動在輪環上製造重力。參見《2001：太空漫遊》。
空中交通時代或將到來
無人駕駛汽車技術的進步重新燃起人們對發展空中交通的希望，更簡單、開放的個人空中旅行成為陸地交通的另一種選擇，尤其在交通擁堵的城市區域更是如此。
無人駕駛飛行需要發展自動飛行控制和空域管理技術，以及可以自動躲避危險和防碰撞所需要的感測器和演算法，因此無人駕駛飛行有望帶頭促進這些技術的發展。
NASA等機構認為電力推動、自控、交流和感知科技的融合產生了新的市場，矽谷數家新成立的公司和其它公司已經開始研發相應載體以應對該市場的"按需流動性"。
要出現普通人可以駕駛的空中計程車或完全自動的載人飛機，我們可能還要等很多年。因為相關方面需要克服市場接受和認證等重重困難，同時還要解決能源效率或噪音等問題。
組裝線效率猛增
碳纖維複合材料降低了飛機的重量同時提升了性能，但也使生產更加困難，因為材料是和部件同步生產的。生產商們希望未來飛機的建造效率更高、成本更低，目前的一個解決方向是減少複合材料生產使用的勞動力和時間。
自動化是主要驅動力之一。如今自動化纖維鋪放已經開始取代人工鋪放，而且在經濟可行的情況下，自動化帶狀鋪疊也進入生產中。龐巴迪C系列飛機的碳纖維飛機就利用首先鋪疊易處理的幹纖維然後在固化成形過程中注入樹脂的方式製造。
不同於預浸料坯（樹脂）的碳纖維，幹纖維不需要控溫儲藏，並且能用來實現複雜的形態然後進行樹脂傳遞塑模。因此材料外表可以被合成，並與紋理、條狀或其它形態共同成形從而簡化組裝。
昂貴的固定工具作業可能成為生產瓶頸，這包括現今用來完成產品成形的高壓釜。無需高壓、在生產線上的真空袋和移動爐內就能完成成形過程的複合材料正在被越來越廣泛地應用。
但要最小化複合壓層材料的維度變化，設計和流程進步是必不可少的。要實現複合結構勞動密集的組裝線完全自動化以及取消聯接部件的機加工等，新設計和新流程的應用是至關重要的。
新設計工具、製造類比軟體、流程控制、工具作業概念和機器人生產技術正在共同湧現（如歐洲Locomachs的研究項目成果），這讓實現符合材料生產成本和時間大幅度降低充滿了希望。
自我調整式發動機
航空推進器經歷了兩次巨變：從螺旋槳到噴氣機，從渦輪發動機到渦扇發動機。第三次巨變正在到來：自我調整式或變週期式發動機。渦扇發動機產生兩種氣流（涵道內和涵道外），而自我調整式發送機將擁有三種。可適應環境的扇片能夠通過內核噴出更多氣流從而產生更強的推力，或者通過涵道導管推氣提升效率、降低燃油消耗，同時產生更多氣流冷卻飛機的系統。
三氣流渦扇發動機也可能用來實現未來的超音速商用飛機，其所帶來的推力、燃油效率和低噪音將能應對環境方面的要求。
飛機將有新形狀
傳統的機艙加機翼式飛機是航空業的主流，但研究未來20到40年發展趨勢的人員認為未來在這種配置下持續提高效率會遇到限制。一方面是因為涵道比增大、引擎體積增加使引擎的安置位置成為疑問，另一方面在於如何持續降低噪音使噪音的影響範圍處於機場內。
相關人員正在研究其它可以安置更大體積引擎的位置，比如在機翼上方或尾翼上，以及機身可以遮擋扇葉和/或噴氣噪音的地方。後置引擎可以使機翼更潔淨，從而更大程度利用可降低拉力的層流。另一種設想是飛機安裝支架式機翼，這能使機翼更長、表面比率更高，從而降低拉力。
不同于傳統的設計有將渦扇發動機或電動推進器內嵌入尾翼與機身邊緣層合併，並重新利用飛機尾流以減少拉力。著名的例子如Aurora Flight Sciences和麻省理工學院為NASA設計的"雙-雙"D8以及德國Bauhaus Luftfahrt發展的推進式機艙概念。
更不走尋常路的設計是融合式或混合式機翼機身（BWB/HWB），這種機翼的空氣動力和結構效率更高。有人懷疑這種設計不適於搭載乘客，但很可能成為未來的貨運/空運機形狀。渦扇發動機、開式轉子或分散式推進器可能被安裝在機艙上方，讓寬闊的機身提供良好的遮蔽效果。
超高速將成現實
在幾十年斷斷續續的研發後，吸氣式超音速推進器正在慢慢變為現實。但要讓吸氣式發動機在起跑後加速到5馬赫以上的時速，並在可重複利用的初期於近地軌道上進行空中監測或載客，我們還有很遠很遠的路要走。
空間飛行器可以利用如英國Reaction Engines公司研發的SABRE動力裝置，這一發動機擁有吸氣運行和火箭運行兩種模式。在大氣層內，吸入的空氣由一個熱交換器預先冷卻，然後在火箭內和液體氫混合燃燒。在大氣層外，SABRE可以變成一個傳統的火箭。Reaction Engines計畫在2020年建造一個全尺寸SABRE發動機原型並進行地面測試。
太空太陽電能推進裝置
人類對太空的探索距離越來越遠，而化學動力推動器的限制使人們不得不尋求其它支援技術，其中就包括太陽能電動推進器。
就火星探索而言，由於航行時間長，宇航員到達之前必須在火星預設其所需的裝備和物資。太陽能電動推進器能以緩慢但高效的方式將體積較大的物資帶進軌道並最終達到火星表面。
由於安裝了高能太陽能板帶動的電動推進器，太陽能電動推進系統的推動力相比於化學動力推進器要小得多，但效率卻可達後者的10倍。這大大地減少了所需的推進物和發射物料，因此是運送裝備到火星的實用選擇。
此外，核熱火箭發動機也是未來航天器的理想選擇。核熱火箭在核反應器內將液體氫加熱，並將其噴出火箭罩從而製造推力。在資金允許的情況下，NASA希望在2022到2024年內對一個小型核熱火箭進行測試，並于未來10年內在月球探測中對核熱火箭發動機進行飛行測試。
駕駛艙視景系統再升級
合成視景系統（SVS）和增強視景系統（EVS）在大型商業飛機的駕駛艙內很常見，這些系統能説明飛行員在可見度低的情況下安全降落。現在，結合了以上兩種系統的綜合視景系統（CVS）也進入人們的視野，這一系統旨在提升飛行員的情景意識以及時刻可靠性。
增強視景系統利用一個前視紅外感測器增強飛行員對外部世界的觀察，外界情景通常會投射在頭戴式顯示器上。合成視景系統利用資料庫對外界進行虛擬式顯示，通常顯示在平視顯示器上，但也能在頭戴式顯示器內與增強視景系統相結合。
隨著低成本非致熱感測器和多光譜感測器（從紅外長波到光學短波）的發展，增強視景系統也得到了巨大發展。艾爾比特系統公司的ClearVision系統擁有6個包括短波紅外和可見光的感測器，研發人員正在擴展該系統以探測如火山灰等其它威脅安全的因素。
長遠看來，安裝在無人駕駛飛行器上用以自動探測躲避其它物體的感測器和系統有望進入人工駕駛飛行器內，畢竟，未來的空域將越來越複雜，交通工具也將多樣化，這些都能成為幫助飛行員安全駕駛的利器。
商業飛機超音速飛行
商業飛機發展的焦點一直是在亞音速飛行的基礎上提高燃油效率，但提高速度如今再次進入人們的視野。NASA正在研究將聲爆最小化，從而去除這個在經濟和環境上限制超音速飛機運營的重要原因。但減少機場噪音和提升巡航效率方面也需要更多研究。
NASA計畫在2019年對安靜超音速交通（QueSST）的X飛機進行測試。這一飛機的外形經過嚴密的特殊設計，目的在於將聲爆降低到大眾可以接受的程度。屆時，人們對測試航班的回應評價可能會成為促使管制者取消超音速飛機禁令的開端。
Aerion公司等生產商認為不久的未來將出現超音速商務機市場，但灣流、波音和其它生產商則認為除非將聲爆降低到75分貝這種程度，否則超音速商務機或小型客機在經濟方面都不具有吸引力。
研究證明，超音速飛機從倫敦飛往悉尼只需2小時，不過，要想在商業上可行，研究人員還需研發出符合安全、可靠性和效率要求的推進系統。
電力夢想或許將成真
雖然發展仍處於初步階段，但電動推進裝置吸引了很多人的注意力。有了如今的鋰離子電池，全電動力飛機已經成為現實，但再大一些的飛機可能需要混合推動力裝置，比如通過低溫降溫超導系統驅動分散式扇片的渦輪電動發電機。
如今市場上已經出現全電動兩座訓練機，混合電力四座飛機也即將面世。NASA計畫在2020年以前研發出9座的"細長型"通勤機。歐洲和美國的研究者認為在2030年前可以研發出100座以下的混合電力客機。但這些都需要能源儲存方面出現突破性發展。
電動力利用可再生能源，因此可以實現零碳排放，此外，電動力還可以實現飛機的新異構型，使分散式推進力與空氣動力互相結合互相促進作用。想想吧，從多轉子、可垂直起降的空中計程車到在尾翼安裝嵌入式發動機、利用尾流降低拉力的大型客機，多酷！
低緯度商業飛行平臺
平臺和負載能力方面的提升將促使小型無人機進入諸多新興的低維度市場，比如基礎設施檢查到包裹快遞，而商業方面更大、負載力更強的平臺也有望成為現實。
其中一種是可以在平流層內停留數天或數周的高緯度耐久型飛機，這種飛機可以為偏遠地區提供網路信號、災後恢復通訊及導航或實現遙感功能，而且比衛星更廉價，反應速度更快也更敏銳。
臉書和穀歌正在研發天陽能平流層無人機，歐洲也在以兩種不同的方式研發這種"准衛星"。泰雷茲Alenia Space研發的平流層巴士自動飛船可以在空中停留一年，預計於2020年前進入市場。（編譯自《航空週刊》）
新聞來源：民航資源網
