遊戲規則改變者：未來飛機長啥樣？

2019年09月03日

       航空運輸業發揮著全球各地互聯互通，創造就業和助力經濟增長的功能。為了以可持續而又較為穩定的方式發揮這些應有的功能，同時使航空業能夠實現保護環境的目標，需要包括政府、飛機和發動機制造商、航空公司、機場和航空導航服務提供商在內的所有利益相關者共同努力。

       迄今為止，航空業已經實現並超越了燃油效率每年提高1.5%的目標。即使國際航空碳抵消和減排計劃已經讓人們感受到了對環境的積極影響，但技術將繼續更好的保護環境。自噴氣式飛機時代開始至今，更輕的材料、更好的發動機性能和空氣動力學改進使每個乘客飛行一公裏的油耗降低了70%以上。到2035年，包括自然和混合動力層流控制、高旁路比的發動機架構、電動起落架驅動和車載發電燃料電池在內的諸多新技術的應用，都將顯著的提升飛機燃油效率。

       可持續航空燃料將是減少航空碳排放量的另一種可行方式。電動飛機正在成為現實，在不久的將來，完全不依賴于噴氣燃料的飛機將被應用于民航運輸。“與當今的飛機相比，通過應用先進技術設備的飛機燃油效率提高25%~30%仍然是可能的。”國際航空運輸協會航空環境助理總監托馬斯·羅特格表示：“然而，在2035年之後由渦輪風扇驅動的經典管狀和機翼配置的飛機在獲得最優配置後，進一步重大改進變得越來越難以想象。”

       革命性的飛機設計

       飛機制造商正在考慮未來的選擇，與研究機構和初創公司建立夥伴關系以支持各種新的飛機設計理念。支撐機翼、盒式機翼和雙氣泡（兩個並排的機身混合在一起）等新型的飛機設計理念都已經應用在設計圖紙上，並且正在飛機制造商的工廠裏成為現實。支撐機翼允許更大的翼距以便減少飛行中的阻力，因此所需的推力也會變得更小，這意味著這樣的飛機只需要配置更小、更高效的發動機。

       波音公司和美國宇航局聯合開展的亞音速超綠色飛機研究(SUGAR)發現，到2040年投入使用的150座支撐機翼飛機可能比現在的波音737-800飛機在燃油效率上高30%。然而，炒作得最為厲害的新型飛機設計理念是混合翼體。

       從本質上講，這是一個大型飛行翼，其中心部分內有客艙或貨物儲存區。空氣動力學形狀使得機體産生更大的上升壓力，在巡航飛行中最明顯的好處就是油耗非常低。混合機翼通常被提議作為運輸幾百名乘客的大中型飛機的設計模型，看起來是一個更容易實現的操作優化成較小型的飛機設計，以便應用于載客量約100名乘客的這個需求量更大的飛機細分市場上。與目前正在服役且載客量大小和飛行航程相似的機型相比，大型混合機翼飛機的燃油效率提高幅度在27%到50%之間，相對于縮小版的同類型設計的飛機，燃油效率可以提升30%。

       遊戲規則改變者——電動飛機

       然而，真正有望成為遊戲規則改變者的飛機類型是電動飛機。盡管今天發電采用的技術和模式並未完全實現零排放，但從全球可再生能源的強勁發展趨勢可以得出較為明確的結論，從現在到2050年由于發電帶來的碳排放將大幅下降。

       事實上，國際能源機構在《世界能源展望》中最樂觀的設想是，2040年後全球采用無二氧化碳排放的電力生産模式所生産的電力將占據80%以上的市場，而且全電動飛機在運行中不會産生任何排放物。除了環境問題能夠得到改善以外，電動飛機也能夠改善其他方面的商業應用，因為電動飛機需要的維護工作量比傳統的燃氣輪機發動機少很多，而且這個方面帶來的價值可以非常直觀地體現在運營成本上。

       簡而言之，越來越多的民航運輸相關組織對于電動飛機的發展持樂觀態度，並且持續為此投入資金以加快相關技術和商業應用的發展。“作為一項革命性的技術，電動飛機也是那些民航業新參與者的機會。”羅特格說，“電動是一種可擴展的技術，在全面進入商業舞臺之前，可以先從輕型單座飛機開始進行商業應用嘗試，而且這個應用已經在實踐中了。這不僅使飛機的安全認證過程更便于管理，而且還將幫助行業獲得對這項新技術的信心。對于電動飛機，首先有機會證明安全性和可靠性，可擴展性可降低大部分開發風險。”

       賴特電氣公司正在開發一種分散式推進的動力設計，飛機的機翼中集成了電池和發動機風扇，在機場周轉期間可以輕松地更換電池。該公司正在與易捷公司合作，一架可容納150名乘客的飛機能夠飛行540公裏，這種飛機能夠覆蓋易捷航空20%以上的航線網絡。從已經公布的研究計劃來看，到2035年這樣的飛機將投入實際運營中。“電動飛行的技術進步確實令人興奮，而且進展迅速。”易捷首席執行官約翰·倫德格倫說。“電動飛機正在成為現實，我們現在可以預見在不遠的未來，全球的航線網絡並不完全依賴于噴氣燃料。”電動飛機的目標航程約為500公裏，根據我們目前的路線組合，這意味著阿姆斯特丹到倫敦的航線可能成為第一條“電動飛行路線”。倫敦—阿姆斯特丹航線是歐洲第二繁忙的航線，如果能夠采用電動飛機執飛的話可以顯著減少噪音和碳排放量。

       未來的希望——混合動力飛機

       電池性能對電動飛機至關重要，依靠電池供電的100座飛機投入實際運營還有很長的路要走，傳統噴氣式飛機所使用的燃料具有高能量密度，具備同等能力的電池過于承重導致目前電池驅動的飛機暫時無法投入實際使用。“噴氣燃料一直是理想的能源載體，替代品在重量或體積方面都有問題。”羅特傑說。但是，隨著全電動飛機的持續發展，混合動力飛機應該很快能飛上天空。混合動力飛機將使用噴氣燃料作為主要能源，但在飛行的幾個階段可以切換到電動機來提供動力。全世界各個主要航空航天制造商做出了許多混合動力飛機設計，這些設計都結合了創新的電動機和內燃機。

       空客、勞斯萊斯和西門子的合作夥伴希望在2020年駕駛一架基于BAe 146的混合動力機型試飛。與此同時，美國宇航局正在將混合機翼設計與渦輪電力推進相結合，形成一種特殊形式的混合動力推進，這種電動混合翼體可節省70%的燃油。隨著采用混合機翼設計的小型飛機成為可能，引進這種飛機的可能性大大增加，從而加快了技術創新和市場應用。

       一種保守的預測觀點認為，15個~ 20個座位的電動飛機將在2030年左右投入使用，載客50人~100人的大型電動飛機將在2050年左右投入使用。這種觀點表明，能夠真正適用于大型客機的電池技術開發需要更多的時間。鑒于對氣候變化相關技術的開發和公共資金的支持，樂觀的觀點認為只要5年的時間電動飛機就能投入使用。

       此外，氫燃料電池可能是重電池的替代品，特別是如果未來20年全球氫氣供應網絡成為現實的話。“我們必須通過對機場進行大功率供電等基礎設施改造，鼓勵全新飛機的無縫集成。”羅特傑總結道，“所有利益相關者都將從電動飛機的引進應用中受益，因為以可持續的方式處理日益增長的航空旅行需求需要這些新技術。當然，最大的贏家將是全球環境。”（本報特約撰稿人 羅俊勤）

 

       新聞來源：中國民航報