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看夠了千篇一律 它們會是你眼中的未來客機嗎?

本周NASA官網發布消息稱,3天前在洛·馬臭鼬工廠製造中的「靜音超音速技術(QueSST)」驗證機X-59完成了機翼與座艙的對接。也是在本周,BoomSupersonic公司發布消息稱超音速技術演示樣機XB-1完成了機身與機翼兩大部件的對接。前者是NASA主導的對新一代超聲速客機的關鍵技術「音爆抑制」的重點攻關,而後者的1:3比例演示樣機則是為研製超音速公務機做著鋪墊。

NASA牽頭的X-59驗證機,在洛·馬的臭鼬工廠中。

忽然之間,在「協和」飛去十餘年後,沉寂的民航天空即將再現超聲速客機?

復興

70年代,「協和」和圖-144為代表的第一代超聲速客機問世後,對於新一代超聲速客機的研製從未停止,特別是進入90年代中期後,美國、歐洲、俄羅斯、日本等國的超聲速、高超聲速客機方案層出不窮。但經濟性和環保性差這兩座「大山」讓計劃僅僅止於紙面。

行業巨頭的波音空客均未正式推出超聲速機型方案。在後協和時代,何時能重溫超聲速出行?目前來看樂觀的預期是10年後、20年後,希望是來自Aerion、BoomSupersonic這樣的「小公司」,是短途通勤、公務機的機型,而非百座的支幹線客機。

亦如當年的「技術成功、商業失敗」,新一代超聲速客機研發的瓶頸還是經濟性和環保性。這兩座「大山」的細分項包括節能環保、油耗、機場雜訊、音爆強度、氮氧化物排放量等。所以在美國NASA等機構的倡導規划下,新一代超聲速客機的研發不再是一步到位,不是性能指標上的對「協和」全面超越,而是更務實地選擇兩步走、三步走。

在2019年更新的超聲速客機技術規劃中,NASA以2025年、2035年為期限,前期是體型較小、更安靜、更清潔,巡航速度1.6-1.8馬赫、中小型的公務機,2035年後是再近一步的發展百座以上的超聲速客機。較於「協和」,新一代的超聲速客機的速度下調到了1.8馬赫以下,鮮明突出的環保指標,更低的音爆、機場雜訊,更少的氮氧化物排放量。

僅以美國航空業為例:在超聲速中小型公務機的研發上是Aerion和BoomSupersonic這樣的創業公司沖在前,有著AS2和XB-1樣機正在打造中;而「大型機」遠期的超聲速支幹線客機項目,則是波音、洛·馬等行業巨頭的參與,特別還有著NASA的牽頭組織推動著動力裝置、音爆抑制等專項關鍵技術的預研攻關。比如正在洛·馬臭鼬工廠打造的驗證機X-59,被冠以「靜音超聲速技術(QueSST)」之名,就是探索音爆抑制技術。

XB-1樣機完成機身和機翼的對接,21世紀的基礎複合材料大範圍應用。

這些超聲速項目的進度上是多少受到了新冠疫情的影響,特別是新冠帶來的最大影響是「大環境」的驟變,全球民航業眼下的寒冬與前途的未知。若比對最初宣傳的時間節點,Aerion和BoomSupersonic這兩家公司所構想的超聲速航空中出行計劃已是大為延後,AS2的首飛時間推遲到2024年,而XB-1是推遲到了2021年。似乎人類在度過新冠全球危局後,就可能看到超聲速公務機的起飛。但這般樂觀的前提還是技術、財務上的「兩全」,比如Aerion「背靠」波音這顆大樹,重新設計了AS2;BoomSupersonic的融資一路也還算目前順利,廠房內的樣機也初具雛形了。

這兩家美國初創公司被行業和資本的看好,也是在於所「押注」的:一些富有的私人、商務出行人士等旅客是願意通過超聲速飛行來節省時間的、並願意為此埋單。特別是在疫情期間,這批「目標用戶群體」更需要超聲速出行來縮短行程,降低在新冠大流行中航空出行的潛在風險。

所以,大眾可接受的、能買到一張超聲速客機機票時,可能會是本世紀中葉時。在日新月異的今天,這樣的「新客機」的確有點讓人等太久了。

風口

那麼,不用等太久的「新客機」又何必是要油的?亦如地面上的交通工具,當特斯拉等電動車的狂飆突進時,這個風口也已吹過天空,托起了電動飛機的願想。電動飛機,現在有多火?

NASA的電動飛機X-57「麥克斯韋」目前是ModⅡ 階段,以2台電動機替換來替換原來的活塞發動機,而是在本周開始了地面測試,為即將到來的首飛做準備。

像美國垂直飛行協會統計的電動飛機的機型目錄,全球範圍內目前有約250型以上的電推進飛機正處於開發階段,其中超過一半是近兩三年宣布的。而入局者、項目的投資方:

約有60%是創業公司和獨立投資人,「傳統」的航空航天公司佔30%(這其中的一半是行業巨頭,各大知名企業都有入局),其他的10%左右的是學術機構、政府機構等,比如國家級航空科研機構NASA,俄羅斯TsAGI、德國DLR、日本JAXA等。而由此呈現的一個總體特點是:來自航空航天、國防領域之外的資本、公司機構等,要比航空航天的業內對電動飛機更感興趣、更有投資熱情。

今年4月空客和羅·羅宣布E-Fan X項目終止,該項目中的「電動』是用2兆瓦的西門子電動機取代了BAe 146翼下中的一台發動機。

與超聲速客機的技術研發多有類似,美歐等國家和地區的國家級航空科研機構、空客等業界巨頭再次「勇挑重擔」,也是拿到了政府科研計劃的預算,牽頭組成「產學研」的聯合體,憑藉雄厚的技術和經驗、配套齊全的基礎設施,開展電動飛機關鍵技術的探索和攻關、系統研究和驗證等。同時,外界多方面資本的湧入,加速了電動飛機的新技術成果轉化,從實驗室走向生產線。以電動替代目前民航客機上的發動機,固然是還無法做到的遠期技術,但電動的垂直起降的「飛行計程車」卻已經成為Uber等互聯網企業(資本)追捧的寵兒,同樣備受資本寵愛的還有電動的貨運無人機、電動的輕型飛機等。

Uber與韓國現代的合作,構想的未來城市出行所需的垂直起降的電動飛機。這是Uber眾多「電動飛行汽車」項目之一。

相較於超聲速客機來說,民間資本在電動飛機上有著更大的投入熱情,並且還在持續攀升。而由此形成的「全民參與」之勢,還將會「催化」機場、航空公司、飛機租賃公司和製造商等行業加速步入「電動飛機」的時代。

預計電動飛機的商業化將在2025年實現、率先進入無人機和通航領域,在2030年形成規模化應用,進入城市立體交通、短途通勤等。預計到2035年,包括製造、運營、載人城市交通、物流等總體電動飛機的市場規模將達5000-15000億美元。

NASA的驗證機X-57麥克斯韋的Mod4最終階段的分散式電動推進系統與新機翼,在地面測試中。

本世紀以來,圍繞民航客機的新動力,有著如變循環發動機、渦輪衝壓組合發動機、脈衝爆震發動機、航空生物燃油、氫能源、燃料電池等層出不窮的新名詞,如今站在2020年這個時間節點來看,「電動」可能會是那位,有著光明的未來。

顛覆

最後,想一想當下的支線幹線客機是什麼樣子的?

對於這個提問,你腦海里飄過的是,無非是一個大翅膀下掛著2台或4台的發動機(或是渦扇或是渦輪螺旋槳),或者就是日漸稀少的「尾吊』發動機的樣子了。如果新客機要在外觀上「標新立異」、與你腦海中的不一樣,那將會是有著怎樣顛覆性的樣子?

這是70多年前的方案。這是40年代末,痴迷於飛翼的諾斯羅普,在飛翼轟炸機YB-49的基礎上再造新篇,計劃充分利用飛翼構型的獨家優勢,將機身中部的巨大空間作為載客80人的豪華客艙。雖然沒有了今天我們習慣的左右兩側舷窗,但在機頭中下部平添了「全景」觀景台,千萬米雲端之上俯瞰大地。

空客發布的「翼身融合」,而前有2006年是NASA的X-48B翼身融合驗證機。

「翼身融合」(Blended Wing,BWB)這種非常規氣動布局,有著更高的升阻比,起降距離更短,特別是優異的燃油效率對於民航業有著很大吸引力,當然外形上又很科幻、未來感。過去幾十年來不斷預言的,下一代客機的顛覆性設計就包括「翼身融合」。而且在波音空客的未來機型設想中都曾出現過,特別是近年來空客、中國商飛都有著翼身融合布局縮比驗證機的密集試飛。

商飛的「雲雀」是相對摺中的翼身融合方案。

似乎,這樣的「翼身融合」會是新一代客機的樣子。只不過這種有些顛覆性的傳統設計,所帶來的利與弊、好與壞是要在天平上好好量一量的。比如,更大的翼展給機場設施設備配套帶來的新難題,你是否願意坐進無窗的客艙,離中心線最遠的乘客會在機翼滾轉是感到不適,如何設置機上的逃生通道,背上發動機短艙這樣的新設計是否會有安全隱患?等等。

超聲速,電動、翼身融合,對於這些「新概念」的追捧,不只是因為我們受夠了眼下民航客機「長相」一成不變後的喜新厭舊,更是在於對新技術的追逐,是人類基因里寫下的野心,無止境追逐,一步步逼近技術的新邊疆……

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