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游戏规则改变者:未来飞机长啥样?
来源:《中国民航报》2019-09-02 17:43:00

航空运输业发挥着全球各地互联互通,创造就业和助力经济增长的功能。为了以可持续而又较为稳定的方式发挥这些应有的功能,同时使航空业能够实现保护环境的目标,需要包括政府、飞机和发动机制造商、航空公司、机场和航空导航服务提供商在内的所有利益相关者共同努力。

迄今为止,航空业已经实现并超越了燃油效率每年提高1.5%的目标。即使国际航空碳抵消和减排计划已经让人们感受到了对环境的积极影响,但技术将继续更好的保护环境。自喷气式飞机时代开始至今,更轻的材料、更好的发动机性能和空气动力学改进使每个乘客飞行一公里的油耗降低了70%以上。到2035年,包括自然和混合动力层流控制、高旁路比的发动机架构、电动起落架驱动和车载发电燃料电池在内的诸多新技术的应用,都将显著的提升飞机燃油效率。

可持续航空燃料将是减少航空碳排放量的另一种可行方式。电动飞机正在成为现实,在不久的将来,完全不依赖于喷气燃料的飞机将被应用于民航运输。“与当今的飞机相比,通过应用先进技术设备的飞机燃油效率提高25%~30%仍然是可能的。”国际航空运输协会航空环境助理总监托马斯·罗特格表示:“然而,在2035年之后由涡轮风扇驱动的经典管状和机翼配置的飞机在获得最优配置后,进一步重大改进变得越来越难以想象。”

革命性的飞机设计

飞机制造商正在考虑未来的选择,与研究机构和初创公司建立伙伴关系以支持各种新的飞机设计理念。支撑机翼、盒式机翼和双气泡(两个并排的机身混合在一起)等新型的飞机设计理念都已经应用在设计图纸上,并且正在飞机制造商的工厂里成为现实。支撑机翼允许更大的翼距以便减少飞行中的阻力,因此所需的推力也会变得更小,这意味着这样的飞机只需要配置更小、更高效的发动机。

波音公司和美国宇航局联合开展的亚音速超绿色飞机研究(SUGAR)发现,到2040年投入使用的150座支撑机翼飞机可能比现在的波音737-800飞机在燃油效率上高30%。然而,炒作得最为厉害的新型飞机设计理念是混合翼体。

从本质上讲,这是一个大型飞行翼,其中心部分内有客舱或货物储存区。空气动力学形状使得机体产生更大的上升压力,在巡航飞行中最明显的好处就是油耗非常低。混合机翼通常被提议作为运输几百名乘客的大中型飞机的设计模型,看起来是一个更容易实现的操作优化成较小型的飞机设计,以便应用于载客量约100名乘客的这个需求量更大的飞机细分市场上。与目前正在服役且载客量大小和飞行航程相似的机型相比,大型混合机翼飞机的燃油效率提高幅度在27%到50%之间,相对于缩小版的同类型设计的飞机,燃油效率可以提升30%。

游戏规则改变者——电动飞机

然而,真正有望成为游戏规则改变者的飞机类型是电动飞机。尽管今天发电采用的技术和模式并未完全实现零排放,但从全球可再生能源的强劲发展趋势可以得出较为明确的结论,从现在到2050年由于发电带来的碳排放将大幅下降。

事实上,国际能源机构在《世界能源展望》中最乐观的设想是,2040年后全球采用无二氧化碳排放的电力生产模式所生产的电力将占据80%以上的市场,而且全电动飞机在运行中不会产生任何排放物。除了环境问题能够得到改善以外,电动飞机也能够改善其他方面的商业应用,因为电动飞机需要的维护工作量比传统的燃气轮机发动机少很多,而且这个方面带来的价值可以非常直观地体现在运营成本上。

简而言之,越来越多的民航运输相关组织对于电动飞机的发展持乐观态度,并且持续为此投入资金以加快相关技术和商业应用的发展。“作为一项革命性的技术,电动飞机也是那些民航业新参与者的机会。”罗特格说,“电动是一种可扩展的技术,在全面进入商业舞台之前,可以先从轻型单座飞机开始进行商业应用尝试,而且这个应用已经在实践中了。这不仅使飞机的安全认证过程更便于管理,而且还将帮助行业获得对这项新技术的信心。对于电动飞机,首先有机会证明安全性和可靠性,可扩展性可降低大部分开发风险。”

赖特电气公司正在开发一种分散式推进的动力设计,飞机的机翼中集成了电池和发动机风扇,在机场周转期间可以轻松地更换电池。该公司正在与易捷公司合作,一架可容纳150名乘客的飞机能够飞行540公里,这种飞机能够覆盖易捷航空20%以上的航线网络。从已经公布的研究计划来看,到2035年这样的飞机将投入实际运营中。“电动飞行的技术进步确实令人兴奋,而且进展迅速。”易捷首席执行官约翰·伦德格伦说。“电动飞机正在成为现实,我们现在可以预见在不远的未来,全球的航线网络并不完全依赖于喷气燃料。”电动飞机的目标航程约为500公里,根据我们目前的路线组合,这意味着阿姆斯特丹到伦敦的航线可能成为第一条“电动飞行路线”。伦敦—阿姆斯特丹航线是欧洲第二繁忙的航线,如果能够采用电动飞机执飞的话可以显著减少噪音和碳排放量。

未来的希望——混合动力飞机

电池性能对电动飞机至关重要,依靠电池供电的100座飞机投入实际运营还有很长的路要走,传统喷气式飞机所使用的燃料具有高能量密度,具备同等能力的电池过于承重导致目前电池驱动的飞机暂时无法投入实际使用。“喷气燃料一直是理想的能源载体,替代品在重量或体积方面都有问题。”罗特杰说。但是,随着全电动飞机的持续发展,混合动力飞机应该很快能飞上天空。混合动力飞机将使用喷气燃料作为主要能源,但在飞行的几个阶段可以切换到电动机来提供动力。全世界各个主要航空航天制造商做出了许多混合动力飞机设计,这些设计都结合了创新的电动机和内燃机。

空客、劳斯莱斯和西门子的合作伙伴希望在2020年驾驶一架基于BAe 146的混合动力机型试飞。与此同时,美国宇航局正在将混合机翼设计与涡轮电力推进相结合,形成一种特殊形式的混合动力推进,这种电动混合翼体可节省70%的燃油。随着采用混合机翼设计的小型飞机成为可能,引进这种飞机的可能性大大增加,从而加快了技术创新和市场应用。

一种保守的预测观点认为,15个~ 20个座位的电动飞机将在2030年左右投入使用,载客50人~100人的大型电动飞机将在2050年左右投入使用。这种观点表明,能够真正适用于大型客机的电池技术开发需要更多的时间。鉴于对气候变化相关技术的开发和公共资金的支持,乐观的观点认为只要5年的时间电动飞机就能投入使用。

此外,氢燃料电池可能是重电池的替代品,特别是如果未来20年全球氢气供应网络成为现实的话。“我们必须通过对机场进行大功率供电等基础设施改造,鼓励全新飞机的无缝集成。”罗特杰总结道,“所有利益相关者都将从电动飞机的引进应用中受益,因为以可持续的方式处理日益增长的航空旅行需求需要这些新技术。当然,最大的赢家将是全球环境。”(本报特约撰稿人 罗俊勤)

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