迎接超聲速時代的變革

空客概念機仿生客艙設計

我們生活在一個技術變革的黃金時代：自動駕駛汽車、無人機、人工智慧正逐步融入我們的生活。可是，當我們的目光轉向民用航空業，視覺上的變化「微乎其微」：20世紀60年代就投入使用的亞聲速飛機的設計直到今天依然無可取代。以波音737為例，它沿用了50年前的設計，至今是民航業的主流飛機；737家族的最新系列飛機波音737MAX預計明年進入服務。雖然從外部看，它的結構類似於其早期機型，但經過幾十年的累積改進，今天的客機具有更先進、高效、可靠的特點。

飛機製造是一個資本高度密集的行業。對於製造商而言，設計一款從外形結構到動力系統都與現有客機不同的新機型需要承擔巨大的金融和技術風險，因此他們可能更願意選擇保守的改進策略。

不過，就如同活塞發動機到噴氣發動機的變革，航空業的發展總會遇到瓶頸，這時候需要的是全新的技術探索，而非安於現狀的停滯不前。

如今，大到美國航空航天局（NASA），小到民營企業，都在開展航空概念的前沿性探索，電力推進、高超聲速成為他們關注的重點。未來，這些新概念極有可能改變人類飛行的方式。

氣動外形與動力推進的革新

2010年，空中客車公司發布了面向未來的概念飛機，這款概念飛機採用變截面輕型「智能化」機身設計，機翼細薄，發動機半嵌在機身兩側，取消了垂直尾翼設計，尾翼呈U形。這款飛機的設計具有降低燃油消耗、減少排放、降低雜訊和增強舒適性的特點。根據空客的預測，到2050年這款概念飛機可能變為現實。

波音公司則與NASA聯合研發未來概念飛機。這款飛機為翼身融合設計，形狀為三角形，極大地增加了客艙容量。兩台發動機安裝在機身尾部上表面，兩側的垂直尾翼有助於隔絕發動機雜訊。

波音的「超亞聲速綠色飛機研究」（SUGAR）項目提出了一款具有創新氣動外形和全新推進方案的設計。這款有著醒目的桁架支撐結構機翼的飛機採用油電混合推進系統。尋找新的推進模式尤為重要，截至目前，航空業仍是專註於化石燃料替代研究的幾個主要行業之一。生物燃料不失為一種臨時解決方式，不過電動飛行吸引著更多的製造商。該技術雖然處於初級階段，但通過製造業的相互競爭來推陳出新，也為航空科學的進步做出了新的貢獻。

2015年4月，「陽光動力二號」飛機從阿布扎比起航，開啟了全球最大的太陽能飛機的環球之旅。7月，空客的雙座型E-Fan電動飛機順利飛越英吉利海峽，這是世界上首次電動飛機飛越英吉利海峽。

這些在動力系統上的創新舉措，激勵了更多的研究機構聚焦新能源動力。法國科學家拉斐爾·狄內利和他的團隊研發了一款名為Eraole的混合動力輕型飛機，拉斐爾準備在今年晚些時候獨自乘坐該飛機橫渡大西洋。如果成功的話，Eraole很有可能投入商業生產並進入私人航空市場。

重燃超聲速飛行之夢

除了聚焦電動和混合動力飛機帶來的環保性能，民航業對於超聲速飛機的關注日益增加。

超聲速飛機並不是什麼新發明，「協和號」飛機在大西洋上空跨洋飛行了超過30年, 最後因為經濟和政治問題在2003年退役。

NASA在開發新一代更高效、更安靜的超聲速客機上十分活躍，他們把重振超聲速商業旅行作為一個可行的願景。前不久，NASA宣布啟動「安靜超聲速技術低聲爆飛行驗證機」 （QueSST）項目，該項目由洛克希德·馬丁公司負責。QueSST採用細長尖頭機身設計、小展弦比三角翼，翼上安裝單髮帶加力燃燒室的GE F404戰鬥機動機，這樣的氣動外形有助於限制激波產生及降低雜訊。據悉，QueSST的巡航馬赫數為1.4～1.45。

超聲速客機的設計關鍵是：當飛機穿過聲障時，需要找到一種方法來抑制聲爆的產生。當年的「協和號」飛機就是因為雜訊太大，只被允許在飛越海洋時超聲速飛行，因此大大限制了該機的市場推廣。如果能夠研製出低聲爆的飛機，未來的超聲速客機就能在陸地上飛行,大大增加了其潛在市場。

美國超聲速公務機製造商Aerion公司與空客共同開展技術研發，推出的三發超聲速私人飛機AS2即將開始發動機選型。AS2預計在未來10年內進入服務，該機將能夠攜帶12名乘客以馬赫數0.9或1.5的速度飛行。

比5倍聲速更快

人類的想像是無窮的。一旦打破了聲障，人們會嚮往更加快速的飛行—— 5～8倍的聲速。如今，這些革命性的概念正在變為現實。

歐洲航天局（ESA）的「長期先進推進概念與技術」高超聲速計劃（Lapcat）的目的就是儘可能地減少飛行時間。這個項目開發分為兩個階段。在第一階段，研究人員分別對馬赫數4.5、馬赫數5和馬赫數8的3種概念飛行器進行前期研究。第二階段（Lapcat Ⅱ），研究人員將研究範圍縮小為馬赫數5和馬赫數8的兩種飛行器，其載客量均為300人左右。馬赫數5的飛行器將採用液氫燃料，而馬赫數8的飛行器推進系統則會考慮選用基於渦輪或是火箭的組合循環發動機。

日本也在著手馬赫數為5的高超聲速客機研發。由16家來自歐洲和日本航空航天科研生產單位組成的國際團隊正聯合開展一個名為「未來高速空運關鍵技術研究與創新合作計劃」（Hikari）的項目。Hikari項目組預測，20年後全球對100座級馬赫數為5的高超聲速客機的初步需求將超過200架。

不過，在高超聲速領域最雄心勃勃的當屬德國航空航天中心（DLR）研製的SpaceLiner飛機了。該款飛機的飛行馬赫數為25，能在90分鐘內從倫敦飛抵澳大利亞。SpaceLiner由兩部分組成，一是客艙飛行器，另一部分是火箭助推器。該飛機上共有11個採用液態氫和氧等環保燃料的火箭發動機，9個安裝在助推器上，2個裝在客艙飛行器上。助推器能在10分鐘升至聲速的20多倍，在離地80千米的高層大氣與飛行器分離，而後飛行器將載著50名乘客以每小時25000千米的速度滑翔到目的地。

這種背負式組合結構，很容易讓人聯想到退役的太空梭。

出於控制成本的考慮，無論是助推器還是客艙飛行器都是可回收利用的。不僅如此，液態氫氧燃料也非常環保，不過新燃料研製的成本要遠高於航空煤油，這也是未來需要解決的問題。DLR的工作人員希望在未來35～50年里可以更廣泛地使用氫燃料。

提高舒適性

空客在未來飛機概念中，提出了「仿生智能客艙」的構想。概念客艙採用仿生學結構，模擬鳥類骨骼，採用智能化壁板，其溫度可以調控。飛機客艙的艙壁可以通過一個按鈕變成全透明，讓乘客360度觀賞飛機外面的世界。概念客艙還將採用一個集成化「神經網路」，在乘客和飛機之間建立一個智能化界面，感知乘客需求並對此作出相應反應，如座椅形狀可根據乘客身形而改變。

不過，處於空氣動力學的要求，未來的超聲速和高超聲速飛機很可能是沒有窗戶的。由於缺少窗戶而給乘客帶來遺憾, 很可能刺激航空製造商在飛行體驗方面的新一輪創新。

無論如何改變，未來飛機的發展必將沿著更快、更環保、更舒適的趨勢前進。

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