Clean Skies

大家安静…是飞机的声音吗?

在未来的航空业,飞机会不会没有温室气体排放或噪声污染?

未来十年,加入服役的飞机数量预计将会翻番。单单在印度,就计划在二十年内新建 200 座机场。以这种发展速度,特别是面对排放目标,该行业势必需要调整工作重心以开发更清洁的飞机。目前的重点放在几个领域上,包括更清洁的燃料、更轻型的飞机(使用碳纤维复合材料)、更高效的发动机和更出色的空中交通管理。所有这些改进加在一起,有助于将排放控制在行业及监管机构设定的目标之内。

以下视频、文章和信息图探索了航天业的未来。有了零排放飞机,天空会不会变得更蓝?将绿色航空项目发展到商用规模需要付出哪些努力?3DEXPERIENCE 平台如何帮助公司在开发新型飞机的过程中缩短设计、建造和验证所需的时间?

我们会有机会乘坐无燃油飞机吗?

尽管没人能够断定未来的飞机会是什么样,但有一点是很明确的:它们将更有利于环境。

小睡 12 分钟之后,André Borschberg 醒来了。 他的身体需要更多睡眠,但是-20˚C 下的气流颠簸让他警觉起来。 在他下方 7,500 英尺就是太平洋,左右两边都是地平线,就在他身边逐渐放大。 他驾驶着一架无燃油飞机,连续六天在大小相当于一间电话亭的空间内吃喝拉撒睡,还有练习瑜珈。

这位退役战斗机飞行员目前正在与瑞士冒险家 Bertrand Piccard 一起,轮流驾驶仅靠太阳提供动力的飞机进行环球飞行。

阳光动力号 2 号 (Si2) 重量仅相当于一辆汽车,但是翼展比波音 747 还要长。 它基本上就是一块能飞行的太阳能电池板。 机翼顶部的机身和尾翼内嵌有 17,000 块柔性太阳能电池,为蓄电池充电以提供飞机动力。

如果一切正常,飞机应该在 2015 年 7 月返航到阿联酋,届时将为飞行员举办宴会以庆祝他们打破新的世界纪录:航空史上驾驶太阳能飞机飞行最长距离。 毫无疑问,阳光动力号将成为历史性的工程壮举及人类成就的代表作,但是飞机最终着陆的那一刻是否就能见证清洁航空新时代的来临呢? 飞行历史上同样类型的关键时刻发生在 88 年前,当时 Charles Lindbergh 从纽约出发,经过炎热又令人发狂的不停站单人飞行之后抵达了巴黎。

Lindbergh 的飞行代表着商用航空事业的兴起,但即使是 Si2 飞行员本人也认为,太阳能飞机恐怕永远也无法大规模地出现在天空上。

Borschberg 在中国西南城市重庆曾经说过:“我们并不认为 [建造大型太阳能客机] 是一项优先 [环保]任务,因为空中交通产生的 CO2 仅占 3%,而 97% 来自于 [陆地和海洋交通]。”

在乔治亚理工学院航空工程学教授 Dimitri Mavris 看来,它甚至都排不上号。他认为,根本不可能做到将目前的喷气式客机全部替换为纯太阳能飞机。他说:“即使是未来的电池技术或能效达到 100% 的太阳能电池,也远远达不到目前传统商业喷气式客机对动力的要求。”

Mavris 相信,要想实现太阳能飞行,就必须改变飞机的飞行方式。他解释说:“飞机可能需要大大降低航速,并且会变得更大,但装载量却更少。目前的实验性电动飞机就是这样。”他还说,从乘客对价格和时间的期望来看,这样的飞机也不可能做到。

那么,什么样的飞机才能使用很少甚至不使用燃料,但是又具有商业可靠性呢?

小小的进步

从长远来看,许多飞机制造商都在寻找电动和混合动力飞机,后者的燃油排放将减少多达 70%。

例如,空中客车正在研发一种称为 E-Fan 的电动飞机。该公司希望,作为第一架通过认证的全电动飞机,E-Fan 2.0 能够在 2017 年正式投产。但这只是一架双座飞机,并且只能在空中停留一小时十五分钟,之后就需要为其锂聚合物电池充电。它甚至都不适合投入商用轻型航空。他们的设想是学习如何扩大规模,开发出一种更小的型号并让它成为未来的选择。

E-Fan 的每种型号都代表着向仅使用电力提供推动力的混合动力支线大型客机 E-Thrust 迈出了前进的一步。之所以称为混合动力飞机,是因为它在到达巡航高度时,仍然需要将航空燃料用于动力装置,以便为电池充电。

但是可能需要等上几十年,才能在当地机场看到 E-Thrust 或类似动力的飞机。全球软件领先企业达索系统航空航天与国防 Ideas Lab 负责人 Jeff Smith 说:“此类飞机很多都受限于无法通过认证。

一旦从 Si2 这样的实验型产品转向涉及数十位甚至数百位乘客的商业应用,游戏规则就完全不一样了。”

在达索系统航空航天与国防事业副总裁 Michel Tellier 看来,解决方案在于模拟。“我们对新技术和概念的模拟更准确、更全面,就能更快地将其推入真实市场。”

作为航空航天业公司的软件合作伙伴,我们打造的 3DEXPERIENCE 平台可实现全面模拟,包括从全新的纳米结构和复杂的系统到整架飞机。此功能可以从根本上缩短对新机型进行概念化、设计、建造和验证的时间

Michel Tellier 达索系统航天及国防业务副总裁

放松下来

公司的软件还能帮助飞机制造商迅速开发并验证坚固、轻巧的新一代材料。

多年以来,飞机制造商一直在将铝质零件替换为复合材料(碳纤维加强塑料),以使飞机变得更轻,从而更加省油。现代大型客机大约有 50% 的部分采用复合材料,但正如 Smith 所说:“仍然有改进的空间。”

达索系统为 Si2 模拟了不同的材料,以符合该飞机严格的重量标准。该团队模拟了一种主要由碳纤维复合材料制成的机型,并最终获得采用。飞机必须尽可能的轻,同时在大约 90 公里/小时的巡航速度下提供必要的上升力。

斯坦福大学的研究人员发现,如果飞机能够像迁徙的鸟类一样编队飞行,即使每架飞机的间隔达到二至五英里,也能节省 12% 的燃料

向鸟类学习

不考虑高科技的因素,节省燃料使用量的一个最简便方法就是改善空中交通管理。据 Borschberg 所说,更出色的空中交通管理系统让飞机能够更快速地着陆、滑行,并且采用更直接的路线。

斯坦福大学的研究人员发现,如果飞机能够像迁徙的鸟类一样编队飞行,即使每架飞机的间隔达到二至五英里,也能节省 12% 的燃料。这样的原因是当飞机飞行时,机翼后方会形成旋涡。在其上方飞行的飞机可以利用这些旋涡,使飞机产生上升力并帮助减少燃料消耗。

Borschberg 相信总有一天,飞机将会编队飞行,并且无需空中交通管理系统从地面进行协调。他说:“飞机将会彼此通话,并协调彼此之间的飞行轨迹。我相信,未来六十年内一定会实现。”但即便是他,也无法说清楚未来的飞机会是什么样子。“看看怀特兄弟或 Charles Lindbergh 的飞机,很难相信 747 也能飞上天空。”

Tellier 更愿意将未来的飞机视为飞行的计算机:“想想它们会变成什么样子:未来的飞机在结构上将更加简单,但是使用的系统和技术会复杂得多。它们将比现在更加高效和智能,可以将这一机遇比喻成手机在过去 20 年中的演变过程,就能发现航空业很可能会经历类似的转变。”

有一点可以肯定,无论困难在于更轻型的材料、更复杂的系统、电池或还是新的飞行编队,在 60 年内,毫无疑问将出现使用的燃料少得多的更清洁飞机,甚至可能完全不用燃料。

还有什么即将出现?

外形发生巨变

一些研究调查了在转换为完全不同的形状之后,可以将能效额外提高多少。但是采用非传统形状的飞机将无法适应现有的机场设施,这样就需要投入巨资进行改造,成为极高的障碍。

使用这种重质燃料的飞机需要新的发动机和机身,至少数十年内不太可能出现。然而到那时候,空中客车的母公司空中客车集团(前身为 EADS)已经造出了零排放超音速运输机 (ZEHST) 这样的新型飞机。氢燃料喷气机能够以接近极超音速的速度飞行。

从植物中生产

无论即将问世的是何种飞机设计,也无论它们将以何种编队飞行,众多航空专家都预测在未来许多年内,液体燃料仍然将是首受欢迎的燃料。有见于此,一些航空公司开始将目光投向生物燃料。最近,波音公司与合作伙伴南非航空 (SAA) 已承诺使用烟草生物燃料。从植物种子生产的油料将在 2015 年转化为喷气机燃料,并由 SAA 执行最终试飞。

从混合动力到氢燃料飞机…。环保飞行的 100 年

1979 年 4 月,第一架领先太阳能提供动力的有人驾驶飞机进行了三分钟的飞行,高度达到 40 英尺(12 米),飞行了 0.5 英里(0.8 公里)。这架飞机的制造者兼飞行员 Larry Mauro 之后对媒体发表了简短的谈话,表示自己希望能够改进这一机型,有一天能够让飞机“正常起飞并全天飞行,除了一路产生的太阳能电力之外不再使用其他能源”。

时光飞逝,35 年后的 2015 年 3 月 9 日(星期一)早上,阳光动力 2 号 (Si2) 即将成为第一架只使用阳光提供动力完成环绕地球飞行的飞机。

但是否就像 Mauro 预测的那样,太阳能飞机将成为航空业的未来呢?航空专家表示,在我们的有生之年恐怕是很难坐上太阳能飞机。如果太阳能不行,那么民航业的未来会是怎样呢?阅读了解…

:视频、信息图和文章最早作为广告功能在 2014 年 6 月 27 日至 2014 年 9 月 5 日之间运行的 bbc.com 上发布,并由 BBC Advertising Commercial Production 团队与达索系统合作创建。

图像来源
Progress Eagle - Oscar Vinals
Solarimpluse.com