綠色超音速飛機(jī)
近日著名的美國洛克希德馬丁公司設(shè)計(jì)了一架綠色超音速飛機(jī)，美國宇航局計(jì)劃在2035年空中旅行計(jì)劃中使用這架綠色超音速飛機(jī)。這架飛機(jī)的主要創(chuàng)新之處是設(shè)計(jì)了一個(gè)倒置的V型引擎，從而達(dá)到減少音爆的影響。
美國航空航天局（NASA）自20世紀(jì)70年代就開始研制一種概念型飛機(jī)——AD-1（全稱為艾姆斯·德賴登-1），旨在對“旋轉(zhuǎn)翼”概念進(jìn)行深入的研究。該飛機(jī)在1979-1982四年中僅僅試飛過79次。
AD-1可能是有史以來造型最為奇特的飛機(jī)，看起來像是來自最新的好萊塢大片中的未來世界，但這款融合了前衛(wèi)概念和奇特造型的飛機(jī)已經(jīng)有30多年的歷史了。
AD–1的機(jī)翼可以圍繞其中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，飛機(jī)在緩慢飛行時(shí)機(jī)翼仍需與機(jī)身保持垂直，但高速飛行時(shí)機(jī)翼與機(jī)身的夾角可以達(dá)到60度，這也是科學(xué)家所認(rèn)定的最有利于飛機(jī)提高飛行速度的有效角度。這種類型的機(jī)翼又被稱為“剪刀'翅膀”，它是“可變后掠翼”概念的一個(gè)分支，首次使用這個(gè)概念的是20世紀(jì)50年代初型號為X–5的飛機(jī)?！翱勺兒舐右怼笨梢宰岋w機(jī)在起飛和著陸時(shí)利用固定機(jī)翼充分發(fā)揮其上升和駕駛方面的性能，同時(shí)它也可以讓飛機(jī)在巡航時(shí)發(fā)揮出傳統(tǒng)后翼的性能，以維持高效的飛行。
NASA自20世紀(jì)70年代開始研制AD-1，旨在對“旋轉(zhuǎn)翼”概念進(jìn)行深入的研究。
“旋轉(zhuǎn)翼”概念：AD-1出自美國航空航天局航空工程師羅伯特·瓊斯之手。
AD–1的機(jī)翼可以圍繞其中心樞紐進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，飛機(jī)在緩慢飛行時(shí)機(jī)翼仍需與機(jī)身保持垂直，但高速飛行時(shí)機(jī)翼與機(jī)身的夾角可以達(dá)到60度。
駕駛艙：該飛機(jī)在1979-1982四年中僅僅試飛過79次。
微笑的試飛員，拍攝于位于加州沙漠地區(qū)的美國宇航局艾姆斯研究中心
AD-1出自美國航空航天局的航空工程師羅伯特·瓊斯之手，瓊斯就職于NASA位于加州莫菲場的艾姆斯研究中心，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和他的分析而得出的結(jié)果顯示，安裝“旋轉(zhuǎn)翼”的超音速運(yùn)輸機(jī)的燃油效率是傳統(tǒng)運(yùn)輸機(jī)的兩倍以上。
“旋轉(zhuǎn)翼”概念最早是1976年在德萊頓進(jìn)行的一項(xiàng)針對遙控飛機(jī)螺旋槳驅(qū)動的小型評估中提出的。而1979-1982年間對雙渦輪技術(shù)而進(jìn)行的早期研究為AD-1的研制提供了相關(guān)的數(shù)據(jù)?！靶D(zhuǎn)翼”目前應(yīng)用許多高性能的飛機(jī)上，包括F14、F 111和B1。
洛克希德馬丁公司設(shè)計(jì)的超音速噴氣飛機(jī)，正在掠地飛行。這一超音速噴氣飛機(jī)之所以能低空飛行，是因?yàn)椴捎昧说筕字型引擎設(shè)計(jì)。
芬蘭航空的飛碟。芬蘭航空工程師們?yōu)?093年設(shè)計(jì)出這一令人炫目的飛機(jī)。這種飛機(jī)能承載2400名乘客，而且能夠垂直起飛。
芬蘭航空的科幻飛機(jī)。這一樂觀的設(shè)計(jì)展示了一架完全是由循環(huán)材料制成的飛機(jī)，而且零排放。
芬蘭航空公司設(shè)計(jì)的微型直升機(jī)：這一直升機(jī)的外部大部分是由太陽能電池構(gòu)成，能夠?yàn)檫@一三人直升機(jī)提供動力。
芬蘭航空的A600-850M飛機(jī)。這一飛機(jī)被描述為“零排放超音速飛機(jī)”。全世界的研發(fā)人員正努力研發(fā)新型材料，這些新型材料能使飛機(jī)更舒適，排放更少。
芬蘭航空提出的“太空旅館”概念，通勤飛船往返于地球和“太空旅館”之間運(yùn)送旅客。這一450張床位的太空旅館在地球上空圍繞地球飛行，每個(gè)周期耗時(shí)9小時(shí)。
商業(yè)太空飛行并不僅僅停留在科幻作品之中。維珍銀河公司目前正在馬杰夫沙漠測試太空飛船2號。預(yù)計(jì)商業(yè)太空飛行將很快成行。
波音公司正在研發(fā)一種太空飛船，預(yù)計(jì)到2015年能夠搭載乘客和公司官員進(jìn)行商業(yè)太空飛行。這張圖片顯示的是波音公司研制的CST-100，能夠搭載7名機(jī)組成員，其設(shè)計(jì)目的是為國際空間站提供支持。
空中客車公司的概念飛機(jī)。空中客車公司研發(fā)和技術(shù)部門負(fù)責(zé)人艾克賽爾-克雷恩解釋說：“我告訴我們的工程師充分發(fā)揮他們的想象力?！?/p>
克雷恩指出：“出現(xiàn)在讀者面前的是2050年現(xiàn)實(shí)的飛機(jī)。我們的研發(fā)人員是根據(jù)現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)出來的，大多數(shù)必須的技術(shù)已經(jīng)存在。”
工程師們“最重要的目標(biāo)是減少燃料消耗，降低發(fā)動機(jī)噪音。為了達(dá)成這些目標(biāo)，他們在飛機(jī)制造方面取得了革命性的成果?！?/p>
星期日，歐洲航空航天業(yè)巨擘歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）展示了其“零排放特高音速交通工具”（Zehst）噴氣式飛機(jī)，希望能在2050年左右，實(shí)現(xiàn)從巴黎在2.5小時(shí)內(nèi)飛抵日本東京。
由計(jì)算機(jī)生成的“零排放高超音速運(yùn)輸客機(jī)”
“我所設(shè)想的未來飛行器看起來就像Zehst ，” EADS 技術(shù)總監(jiān) Jean Botti 在巴黎布爾歇機(jī)場宣布這項(xiàng)計(jì)劃時(shí)說道，而第二天就是巴黎國際航展開幕的日子。
EADS在巴黎附近的布爾歇機(jī)場上展示的Airbus A 350 XWB模型
和目前飛行在10Km左右的常規(guī)客機(jī)相比，由燃燒后只排放水蒸氣的氫氧燃料驅(qū)動火箭引擎則推動該飛機(jī)在32 Km 的巡航高度前進(jìn)。
“你在同溫層，不會制造污染，”Botti 說。
至于著陸，飛行員先關(guān)掉引擎滑翔下降返回地球，然后再點(diǎn)燃用于著陸的常規(guī)引擎。
EADS希望在2020年之前制造出該飛機(jī)的原型，2050年左右正式投入運(yùn)營。該項(xiàng)目和日本聯(lián)合開發(fā)，并且使用的是已實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。該飛機(jī)的一個(gè)4米的模型會在布爾歇市每半年舉行一次的航空航天展中亮相，該航展于星期一開始，星期五對普通大眾開放，從模型來看，飛機(jī)則像是已被棄置的協(xié)和式超音速飛機(jī)。
該項(xiàng)目由空中客車的母公司EADS公司研制，將于今日巴黎航空展的官方開幕式上正式公布。它可以承載100多名乘客，傳統(tǒng)的噴氣發(fā)動機(jī)也有助于推動它從一個(gè)正常的機(jī)場跑道上起飛，這表明它不會產(chǎn)生如協(xié)和式超音速噴射客機(jī)那樣的強(qiáng)烈噪音。一旦達(dá)到合適的高度，飛機(jī)就會啟動一組火箭發(fā)動機(jī)，它們將推動飛機(jī)達(dá)到更高的速度和翱翔于更高的天空，而且它會使用最后一組發(fā)動機(jī)——沖壓發(fā)動機(jī)。
目前，它們只在發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)使用，它們不能在飛行初始階段起效，但在飛行器時(shí)速高達(dá)1000英里以上時(shí)會大大加快它的速度。它們在飛機(jī)速度超出4馬赫時(shí)將幫助飛機(jī)攀爬到20英里的高度，而傳統(tǒng)客機(jī)的巡航高度大約為六英里。
一旦處于巡航速度時(shí)，零排放高超音速運(yùn)輸機(jī)就可以在短短的20分鐘之內(nèi)從倫敦飛往西班牙南部的馬拉加。飛往伊斯坦布爾的航班將需要30分鐘，它可以在一小時(shí)左右就到達(dá)美國東海岸。
這架飛機(jī)使用火箭和渦噴發(fā)動機(jī)，可以在兩小時(shí)內(nèi)從倫敦飛至東京。
這也將大大減少倫敦至東京的飛行時(shí)間，而至悉尼的旅程只需三個(gè)半小時(shí)。經(jīng)過滑翔下降，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)將重新點(diǎn)燃，便于飛機(jī)著陸。
據(jù)EADS官員所言，這架飛機(jī)將會于2040年左右投入使用。
讓·博迪是EADS公司的創(chuàng)新和技術(shù)技術(shù)總監(jiān)，他說：“這不是協(xié)和式超音速噴射客機(jī)，但它看起來像協(xié)和式飛機(jī)，這表示20世紀(jì)60年代的空氣動力學(xué)已經(jīng)非常先進(jìn)了。我們一直都在研究這個(gè)項(xiàng)目，花費(fèi)了這么長時(shí)間的努力，我們終于知道它是可行的?！?/p>
不像傳統(tǒng)飛機(jī)那樣，這架飛機(jī)的動力是由海藻制成的生物燃料——?dú)錃夂脱鯕?，因此它也是世界上最環(huán)保的飛機(jī)之一。
一項(xiàng)長達(dá)18個(gè)月、致力于描繪未來客機(jī)的NASA研究已經(jīng)誕生出若干概念，盡管乍看之下有些過時(shí)。并非是那些仿佛借自于科幻的奇異新設(shè)計(jì)，而是人們熟悉的外形占據(jù)了4個(gè)業(yè)界團(tuán)隊(duì)于2010年4月為NASA“基礎(chǔ)航空工程”（Fundamental Aeronautics Program）完成的先進(jìn)概念研究報(bào)告的大部分頁面。
審視這些或許將在距今20到25年內(nèi)見于生活的概念，你可以看到與今日飛行器的不同之處。
就在這些概念的表面之下，藏著突破性的機(jī)體和推進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)有助于使明日的商用飛行器運(yùn)作得遠(yuǎn)為安靜、潔凈，使之具有更好的燃油效率、旅客舒適性，并飛向更多的美國機(jī)場。
你將看到超現(xiàn)代的形狀記憶合金、陶瓷或纖維化合物、碳納米管或纖維光纜、自修復(fù)蒙皮、混合電力引擎、折疊機(jī)翼、雙機(jī)身和虛擬現(xiàn)實(shí)窗口。
“站在飛機(jī)近處，你也許看不出區(qū)別，但是技術(shù)改進(jìn)卻是革命性的，”基礎(chǔ)航空工程亞音速固定翼項(xiàng)目的項(xiàng)目科學(xué)家Richard Wahls如是說，該項(xiàng)目位于維吉尼亞州漢普頓的NASA蘭利研究中心?！凹夹g(shù)之美遠(yuǎn)弗膚淺”。
在2008年10月，NASA征詢工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同構(gòu)想在2030及以后的未來能誕生和發(fā)展什么樣的飛行器先進(jìn)概念，其既滿足預(yù)期的商業(yè)航空運(yùn)輸需求，又滿足期望的能源效率、環(huán)境和運(yùn)作目標(biāo)。這些課題意在識別出關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展要求，以實(shí)現(xiàn)預(yù)想的先進(jìn)機(jī)身和推進(jìn)系統(tǒng)。
NASA為2030世代飛行器制定的目標(biāo)，與今日生活中的飛行器相比如是：
- 低于當(dāng)前聯(lián)邦航空局噪音標(biāo)準(zhǔn)71分貝的降噪，旨在包容機(jī)場地帶令人厭惡的噪音。
- 比國際民航組織委員會關(guān)于航空環(huán)境保護(hù)的第六次會議（CAEP/6）制定的放標(biāo)準(zhǔn)減少超過75%的二氧化氮排放量，旨在改進(jìn)機(jī)場周圍的空氣質(zhì)量。
- 在燃油燃燒性能上減少超過70%，這將減少溫室氣體的排放和空中旅行的費(fèi)用。
- 發(fā)掘大都會觀念的能力，使大都市區(qū)域內(nèi)的多個(gè)機(jī)場的跑道得到最佳利用，以此作為減少空中交通擁堵和延誤的一個(gè)手段。
前述團(tuán)隊(duì)由通用電氣、麻省理工學(xué)院、諾斯羅普·格魯曼公司和波音公司領(lǐng)導(dǎo)。以下是其最終報(bào)告的若干要點(diǎn)：
- GE航空團(tuán)隊(duì)提出搭載20名乘客的航空器，通過為點(diǎn)對點(diǎn)旅行使用社區(qū)機(jī)場，它能減少主要大城市樞紐的擁堵狀況。這種航空器有卵形的機(jī)身，能并排放置4個(gè)全尺寸座椅。其他特點(diǎn)包括使整個(gè)表面的氣流更流暢的航空器外形，和用以驅(qū)動先進(jìn)電力系統(tǒng)的燃油發(fā)電的電池。這種航空器先進(jìn)的渦漿發(fā)動機(jī)采用低噪音的螺旋槳，并通過提供足夠進(jìn)行短程起飛和快速爬升的推力來進(jìn)一步減少噪聲。
- 在其180座D8“雙泡”的布局中，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)相比常規(guī)出離得更遠(yuǎn)，在縱向上將兩個(gè)飛行器機(jī)身熔接并在尾部安裝三臺渦扇引擎。麻省概念中的重要部件乃是使重量更輕的合成材料之運(yùn)用，以及具有更高效推力的超高涵道比渦扇引擎（超高涵道比：相比于傳統(tǒng)引擎，通過核心機(jī)的氣流更小，而通過環(huán)繞核心機(jī)的外涵道的氣流則極為增大）。與現(xiàn)行設(shè)計(jì)趨勢相反，麻省的概念通過最小化發(fā)動機(jī)總體直徑的尺度以及相應(yīng)縮小噴氣排放直徑來增加涵道比。該團(tuán)隊(duì)稱其之所以設(shè)計(jì)D8是為與737-800實(shí)現(xiàn)相同的使命。D8非同尋常的外形使其具有比737更寬闊的客艙。
- 諾斯羅普·格魯曼團(tuán)隊(duì)預(yù)見了較小120座飛行器的廣泛需求，它是為增加載客量和減少延誤而量身定做的。該團(tuán)隊(duì)稱其“安靜高效低排放商業(yè)運(yùn)輸”（SELECT）概念是“性能上的革命，即便不是外觀上的”。陶瓷合成材料、納米技術(shù)和外形記憶合金卓越地體現(xiàn)于其機(jī)體和超高涵道比的推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這個(gè)飛行器所承載的環(huán)境與運(yùn)營目標(biāo)很大程度上取決于使用較小的機(jī)場，跑道只有5000英尺之短，實(shí)現(xiàn)地理上遍布更廣的空中交通。
- 波音公司的“亞音速終極綠色飛行器研究”（SUGAR）團(tuán)隊(duì)檢驗(yàn)了5個(gè)概念。該團(tuán)隊(duì)最青睞的概念——SUGAR Volt——這種雙發(fā)的飛行器具有氫推進(jìn)技術(shù)、管狀外形機(jī)身和由桁架支撐并固定于飛機(jī)頂部的機(jī)翼。與今天使用的典型機(jī)翼相比，SUGAR Volt的機(jī)翼的翼尖相距更遠(yuǎn)，前緣與后緣之間相距更短，并且后掠角更小。它也可以帶有鉸鏈以便當(dāng)在登機(jī)門處緊密停放時(shí)能收起機(jī)翼。設(shè)想中先進(jìn)的電瓶技術(shù)有助實(shí)現(xiàn)一種獨(dú)特的氫動力渦輪-電力推進(jìn)系統(tǒng)。這種飛行器的引擎既能在其核心機(jī)中燃燒燃油，也能在核心機(jī)關(guān)車時(shí)用電力轉(zhuǎn)動渦輪風(fēng)扇。
NASA并沒有指定商用航空運(yùn)輸需求是國內(nèi)的還是全球的。所有四個(gè)團(tuán)隊(duì)都聚焦于在單一大陸內(nèi)旅行的飛行器，因?yàn)樗麄兊臉I(yè)務(wù)顯示小型和中型飛機(jī)仍將是未來整個(gè)機(jī)隊(duì)的主力。不過，也有一個(gè)團(tuán)隊(duì)展示了一種用于洲際運(yùn)輸?shù)拇笮蜌鋭恿C(jī)翼概念。
所有這些團(tuán)隊(duì)為未來的技術(shù)研究和發(fā)展提供了“清晰的道路”，克利夫蘭市NASA格列研究中心“亞音速固定翼項(xiàng)目”的首席研究員Ruben Del Rosario如是說。“他們的報(bào)告會使我們的研究計(jì)劃有所不同。我們將找出這些研究中的共同主題，并用它們來為未來打造更有效的戰(zhàn)略，”Del Rosario說道。
以下是四份報(bào)告中的一些共同主題：
- 更低速的巡航——大約0.7馬赫，即音速的十分之七，比今天的飛行器低5-10%——并且飛行于更高海拔以節(jié)約燃油。
- 對起飛和安靜飛行要求更少動力的引擎。
- 更短的跑道——平均大約5000英尺——以增加運(yùn)營容量和效率。
- 更小的飛行器——相當(dāng)于波音737的中等尺寸，其客艙容量不多于180座——為增進(jìn)成本-效益而飛行更短更直的航路。
- 寄托于空中交通管理方面頗有前景的進(jìn)步，例如用于合并與分割航路、離港爬升和到港降落的自動決策工具。
這些團(tuán)隊(duì)為輕比重的合成材料結(jié)構(gòu)、耐熱和耐應(yīng)力的發(fā)動機(jī)材料、有助于實(shí)現(xiàn)其設(shè)想的空氣動力學(xué)模型提出了不同的改進(jìn)建議。NASA正參照其自身的發(fā)展用于飛行器廣泛領(lǐng)域的航空技術(shù)以及取得最大公共利益的運(yùn)營情境的目標(biāo)來衡量這些建議。
“我們客戶的這些意見為我們對未來的展望提供了深思熟慮過的方案，這將幫助我們明確地把研究投資決策放到主流方向?！比A盛頓NASA總部的航空研究副局長Jaiwon Shin如是說。
“識別出那些必要的技術(shù)將有助于我們建立一個(gè)研究路線圖，以便在未來的數(shù)年里跟進(jìn)并將這些創(chuàng)意帶到生活中?！盨hin說道。
NASA設(shè)計(jì)2030世代飛行器的下一步努力，是第二階段的研究，以開始發(fā)展能為與改進(jìn)航空運(yùn)輸系統(tǒng)——增加能源效率和減少環(huán)境影響——相關(guān)的國家目標(biāo)所需的新技術(shù)。NASA于4月份收到四個(gè)團(tuán)隊(duì)的建議方案，并希望資助一或兩份研究，使之于2011年啟動。
NASA的管理層也將重新評估2030世代飛行器的目標(biāo)，以判斷某些關(guān)鍵性的技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室和實(shí)地測試進(jìn)入實(shí)用是否增加需要額外的時(shí)間。四個(gè)團(tuán)隊(duì)試圖使燃油消耗或者噪音目標(biāo)滿足NASA的概念，但不是兩者皆滿足。
一項(xiàng)合作研究成果著眼于新一代超音速運(yùn)輸飛行器的概念，以滿足NASA為2030世代設(shè)定的噪音、排放和燃油效率目標(biāo)。NASA展望了一個(gè)廣闊的超音速旅行市場，飛行器將搭載更多的旅客以增加經(jīng)濟(jì)可行性，同時(shí)滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。
波音公司和洛克希德·馬丁公司評估了市場條件、設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束、常規(guī)和非常規(guī)構(gòu)型，以及可行的技術(shù)，以便為研究與發(fā)展活動制定路線圖建議。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都提出了能在超過1.6馬赫的巡航速度和最高5000英里航程的條件下搭載100名以上乘客的飛行器概念。
波音公司5月3日表示，由該公司研制的幻影線（Phantom Ray）無人機(jī)于4月27日成功地完成了首次飛行，地點(diǎn)是在位于加利福尼亞州愛德華茲空軍基地的美國宇航局Dryden飛行研究中心。
幻影線無人機(jī)在今年3月經(jīng)過了一系列高速滑行試驗(yàn)之后，完成了這次長達(dá)17分鐘的飛行，并檢查了其制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制和飛行界面的性能。
