100多年來，航空業(yè)見證了無數(shù)突破性的科技進展，未來呢？把時間縮短一點，接下來的20到40年內呢？隨著航空業(yè)第二個100年的展開，我們?yōu)榇蠹冶P點了航空業(yè)如今正在發(fā)展且最具前景的技術和產品。

 

　　無人機將無處不在

 

　　精準農業(yè)生產、基礎建設檢查、建筑業(yè)、房地產、航拍——雖然目前無人機的使用受到嚴格管制，但利用無人機協(xié)助生產作業(yè)已經是許多行業(yè)的日常現(xiàn)實。

 

　　美國航空管理局（FAA）不久前發(fā)布了首個小型無人機的使用規(guī)章，要求無人機必須在白天并于視距內操縱，但目前巨大的壓力正在推動FAA將無人機的操縱管制放寬到視距外和晚上。

 

　　一旦無人機的操縱被放松到視距外，凈重55磅（約25公斤）以下的小型無人機在近期內將擁有巨大的商業(yè)市場。由于客戶們需要數(shù)據(jù)，這一市場將由“無人機服務”的商業(yè)模式主導。

 

　　接下來最有可能出現(xiàn)的市場應用是無人機快遞，比如城市客戶包裹快遞或災區(qū)醫(yī)療物資供應，但這需要確保多種飛行器（載人飛機和無人機）都能安全高效地進入并在低空空域飛行。目前美國航空航天局（NASA）正在展開無人機交通管理研究項目對這一問題進行探究。

 

　　超高涵道比

 

　　商業(yè)飛機渦扇發(fā)動機越來越大，因為更大的渦扇和更高的涵道比帶來的是更高的推力效率和更低的燃油消耗。相比如今最新引擎10-12.5的最大涵道比，21世紀20年代初投入服務的渦扇發(fā)動機的涵道比將到達15-20。相應地，這將迫使機翼和起降架設計出現(xiàn)改變，同時也可能改變飛機的整體布局和引擎的安裝位置。

　

 

　　研究傾向于認為未來的渦扇發(fā)動機將會由齒輪傳動，扇片將更大，但最終的引擎罩拉力和重量將限制齒輪的半徑。如果市場或管制方在降低燃油消耗和排放方面要求更高的涵道比，開式轉子發(fā)動機依然是一種發(fā)展選擇。開式轉子發(fā)動機帶來的機場噪音和飛機安全影響問題還需要得到進一步解決，不過研究還在繼續(xù)。

 

　　空氣動力或將突破性發(fā)展

 

　　在飛行器設計的發(fā)展中，空氣動力學得到了持續(xù)的推進，但極少出現(xiàn)突破性的進步。不過，未來提升燃油效率的研究可能導致空氣動力學設計方面的巨大變化，其中包括更窄、更靈活的機翼，自然層流和主動流控制，以及非傳統(tǒng)的構型。

 

　　層流可以減少拉力，但對機翼設計的誤差容忍度極低，在生產方面難以實現(xiàn)，同時要求機翼的表面保持平滑。但飛機在飛行時很難完全保持完全潔凈。不過，為了探索將拉力大幅度減小的可能性，歐洲和美國的研發(fā)人員正在進行生產及保持層流機翼飛行的研究。安裝層流機翼的飛機有望于2030年前進入市場。

 

 

　　更窄、更靈活的機翼可以減少拉力和重量，但需要新的結構性和控制技術避免震顫。目前正在發(fā)展的技術包括利用定向偏向式復合材料或金屬3D制造實現(xiàn)結構的被動空氣彈性定制，以及對機翼可移動表面進行活動控制以降低操縱的影響和陣風負荷，同時抑制震顫。

 

　　高速巡航是空氣動力研究提升的焦點之一，另一個焦點是低速高空拉升以及利用彈性或變形表面適應機翼形狀同時降低傳統(tǒng)襟翼產生的噪音和拉力。主動流控制也可以增加起飛和降落性能，降低噪音，同時（NASA和波音的測試表明）增加方向舵效率使尾翼更小。

 

　　神奇的3D打印技術

 

　　從食品到化工，增材制造（或者說3D打印技術），受到了各個行業(yè)的歡迎。雖然因為安全性和可靠性方面的影響，航空業(yè)對3D打印技術的態(tài)度仍然謹慎，但航空業(yè)內對這種技術的應用速率也是前所未有的。

 

 

　　3D打印技術首先以制造復合材料進入航空業(yè)，這種技術幫助實現(xiàn)了原型和一些低強度飛行部件的快速制造。但隨著金屬增材制造（金屬3D打�。┝鞒痰某墒欤瑯I(yè)內對3D打印技術利用迎來了井噴式增長。

 

　　航空業(yè)制造需要從已造部件上移除大量金屬，而增材制造可以大幅度降低昂貴金屬（如高強度輕金屬鈦和鎳片）原料重量與完成部件的比率。

 

　　首先航空業(yè)必須確保3D打印生產的部件和傳統(tǒng)方式生產的部件一樣可靠，或者更可靠，以獲得行業(yè)認同和適航許可。這正在成為現(xiàn)實：GE航空正在用這種技術生產燃油噴嘴，Avio Aero也在利用這種技術產生鈦-鋁渦輪片。

 

　　3D打印最初生產的部件利用激光或電子光束融化金屬粉末。但飛機構架由許多更大的部件構成，這需要更大工作容量的機器。可以產生更大部件的激光剝線機目前正在進入生產。

 

　　3D打印技術已經可以幫助人們優(yōu)化部件設計，使用料更少，成本更低，重量更小。隨著時間的發(fā)展，人們將可以利用3D打印技術控制部件全部材料的微結構以實現(xiàn)部件性能最大化，并且最終實現(xiàn)新材料定制生產。

 

　　在宇宙飛船上安裝3D打印部件已經成為現(xiàn)實，而硅谷新秀Made In Space公司正在探索在空間中實現(xiàn)3D打印生產的可能性——生產如反射器、支架或用以實現(xiàn)地面交流的光纖等部件。

 

　　頭戴式和觸摸顯示器

 

　　駕駛艙從來都是最新科技的秀場。如今商業(yè)市場正在掀起穿戴式科技的風暴，對于航空業(yè)來說，第一步就是發(fā)展可以最終取代平視顯示器的頭戴式近眼顯示器。

 

　　艾爾比特系統(tǒng)公司和泰雷茲集團正在研發(fā)應用于商業(yè)飛機（尤其是小型飛機）駕駛艙的頭戴式顯示器。艾爾比特系統(tǒng)公司目標于2017年將其SkyLens頭戴式顯示器在ATR渦旋飛機上進行認證。NASA和歐洲研究人員目前在實驗增強技術的過程中也利用頭戴式儀器和傳感器檢測及躲避危害。

 

　　觸摸屏幕也正在進入商業(yè)飛機的駕駛艙。洛克維爾·柯林斯公司為波音777-X生產了觸摸式屏幕，而航空電子生產商們也希望快速得到認證以進一步減少駕駛艙的工作量。霍尼韋爾公司正在研發(fā)可監(jiān)控大腦活動的技術以感知飛行員的工作量是否過大或飛行員是否處于走神狀態(tài)，這一技術還有可能控制一些駕駛艙內的功能。

 

　　電傳飛行控制系統(tǒng)如今越來越多地利用在小型飛機內，這一系統(tǒng)引進了飛行包線保護，今后將和未來的電動輕量飛機相互促進發(fā)展。FAA認為未來將出現(xiàn)可實現(xiàn)飛機自動起降的飛行控制系統(tǒng)、“反墜毀”危險躲避系統(tǒng)、4-D航道管理和超直觀顯示器等，這些都將減少駕駛艙對人類飛行員的需求。

 

　　商業(yè)化空間站

 

　　隨著貨運需求越來越大，NASA正在著手建立一個商業(yè)近地軌道，預計載人飛行將于2018年開始。目前，這條飛往太空的“鐵路”上只有國際空間站這一個目的地，但以后將會有更多。

 

　　按照計劃，國際空間站的運行將持續(xù)到2024年。但一些企業(yè)家希望將這個空間站用作商業(yè)空間站的起點。國際空間站內已經存在私人領域的嘗試性活動，比如NanoRacks將國際空間站用作其商業(yè)“立方衛(wèi)星”回收空間物體的發(fā)射平臺。畢格羅宇航公司的充氣式載人空間站原型也已經在國際空間停泊了兩年。

 

　　畢格羅宇航公司正在和NASA談判以在國際空間站內增加一個全尺寸的可擴展型載人空間站，將其中的330平方米的內部空間用來進行商業(yè)運營，同時計劃在2020年實現(xiàn)前兩個艙的發(fā)射。畢格羅宇航公司認為軌道內衛(wèi)星制造的前景廣闊。

 

　　新成立的Axiom Space公司計劃建立一個小型商業(yè)空間站，和畢格羅宇航的B330一樣，這個空間站在起初只有一個艙位聯(lián)接在國際空間站上，直到第二個安裝了太陽能板和推進器的空間艙到達并將其帶到更適于商業(yè)發(fā)射的較低軌道上去。

 

　　Axiom的鋁制載人空間站將基于國際空間站現(xiàn)有的空間艙進行建造，但Axiom還有有更遠的構想。Axiom希望在未來10年內建造一個自由飛行的輪轉式空間站，它會緩慢轉動在輪環(huán)上制造重力。參見《2001：太空漫游》。

 

　　空中交通時代或將到來

 

　　無人駕駛汽車技術的進步重新燃起人們對發(fā)展空中交通的希望，更簡單、開放的個人空中旅行成為陸地交通的另一種選擇，尤其在交通擁堵的城市區(qū)域更是如此。

 

　　無人駕駛飛行需要發(fā)展自動飛行控制和空域管理技術，以及可以自動躲避危險和防碰撞所需要的傳感器和算法，因此無人駕駛飛行有望帶頭促進這些技術的發(fā)展。

 

　　NASA等機構認為電力推動、自控、交流和感知科技的融合產生了新的市場，硅谷數(shù)家新成立的公司和其它公司已經開始研發(fā)相應載體以應對該市場的“按需流動性”。

 

　　要出現(xiàn)普通人可以駕駛的空中出租車或完全自動的載人飛機，我們可能還要等很多年。因為相關方面需要克服市場接受和認證等重重困難，同時還要解決能源效率或噪音等問題。

 

　　組裝線效率猛增

 

　　碳纖維復合材料降低了飛機的重量同時提升了性能，但也使生產更加困難，因為材料是和部件同步生產的。生產商們希望未來飛機的建造效率更高、成本更低，目前的一個解決方向是減少復合材料生產使用的勞動力和時間。

 

　　自動化是主要驅動力之一。如今自動化纖維鋪放已經開始取代人工鋪放，而且在經濟可行的情況下，自動化帶狀鋪疊也進入生產中。龐巴迪C系列飛機的碳纖維飛機就利用首先鋪疊易處理的干纖維然后在固化成形過程中注入樹脂的方式制造。

 

　　不同于預浸料坯（樹脂）的碳纖維，干纖維不需要控溫儲藏，并且能用來實現(xiàn)復雜的形態(tài)然后進行樹脂傳遞塑模。因此材料外表可以被合成，并與紋理、條狀或其它形態(tài)共同成形從而簡化組裝。

 

　　昂貴的固定工具作業(yè)可能成為生產瓶頸，這包括現(xiàn)今用來完成產品成形的高壓釜。無需高壓、在生產線上的真空袋和移動爐內就能完成成形過程的復合材料正在被越來越廣泛地應用。

 

　　但要最小化復合壓層材料的維度變化，設計和流程進步是必不可少的。要實現(xiàn)復合結構勞動密集的組裝線完全自動化以及取消聯(lián)接部件的機加工等，新設計和新流程的應用是至關重要的。

 

　　新設計工具、制造模擬軟件、流程控制、工具作業(yè)概念和機器人生產技術正在共同涌現(xiàn)（如歐洲Locomachs的研究項目成果），這讓實現(xiàn)符合材料生產成本和時間大幅度降低充滿了希望。

 

　　自適應式發(fā)動機

 

　　航空推進器經歷了兩次巨變：從螺旋槳到噴氣機，從渦輪發(fā)動機到渦扇發(fā)動機。第三次巨變正在到來：自適應式或變周期式發(fā)動機。渦扇發(fā)動機產生兩種氣流（涵道內和涵道外），而自適應式發(fā)送機將擁有三種�？蛇m應環(huán)境的扇片能夠通過內核噴出更多氣流從而產生更強的推力，或者通過涵道導管推氣提升效率、降低燃油消耗，同時產生更多氣流冷卻飛機的系統(tǒng)。

 

　　三氣流渦扇發(fā)動機也可能用來實現(xiàn)未來的超音速商用飛機，其所帶來的推力、燃油效率和低噪音將能應對環(huán)境方面的要求。

 

　　飛機將有新形狀

 

　　傳統(tǒng)的機艙加機翼式飛機是航空業(yè)的主流，但研究未來20到40年發(fā)展趨勢的人員認為未來在這種配置下持續(xù)提高效率會遇到限制。一方面是因為涵道比增大、引擎體積增加使引擎的安置位置成為疑問，另一方面在于如何持續(xù)降低噪音使噪音的影響范圍處于機場內。

 

　　相關人員正在研究其它可以安置更大體積引擎的位置，比如在機翼上方或尾翼上，以及機身可以遮擋扇葉和/或噴氣噪音的地方。后置引擎可以使機翼更潔凈，從而更大程度利用可降低拉力的層流。另一種設想是飛機安裝支架式機翼，這能使機翼更長、表面比率更高，從而降低拉力。

 

　　不同于傳統(tǒng)的設計有將渦扇發(fā)動機或電動推進器內嵌入尾翼與機身邊緣層合并，并重新利用飛機尾流以減少拉力。著名的例子如Aurora Flight Sciences和麻省理工學院為NASA設計的“雙-雙”D8以及德國Bauhaus Luftfahrt發(fā)展的推進式機艙概念。

 

　　更不走尋常路的設計是融合式或混合式機翼機身（BWB/HWB），這種機翼的空氣動力和結構效率更高。有人懷疑這種設計不適于搭載乘客，但很可能成為未來的貨運/空運機形狀。渦扇發(fā)動機、開式轉子或分布式推進器可能被安裝在機艙上方，讓寬闊的機身提供良好的遮蔽效果。

 

　　超高速將成現(xiàn)實

 

　　在幾十年斷斷續(xù)續(xù)的研發(fā)后，吸氣式超音速推進器正在慢慢變?yōu)楝F(xiàn)實。但要讓吸氣式發(fā)動機在起跑后加速到5馬赫以上的時速，并在可重復利用的初期于近地軌道上進行空中監(jiān)測或載客，我們還有很遠很遠的路要走。

 

　　空間飛行器可以利用如英國Reaction Engines公司研發(fā)的SABRE動力裝置，這一發(fā)動機擁有吸氣運行和火箭運行兩種模式。在大氣層內，吸入的空氣由一個熱交換器預先冷卻，然后在火箭內和液體氫混合燃燒。在大氣層外，SABRE可以變成一個傳統(tǒng)的火箭。Reaction Engines計劃在2020年建造一個全尺寸SABRE發(fā)動機原型并進行地面測試。

 

　　太空太陽電能推進裝置

 

　　人類對太空的探索距離越來越遠，而化學動力推動器的限制使人們不得不尋求其它支持技術，其中就包括太陽能電動推進器。

 

　　就火星探索而言，由于航行時間長，宇航員到達之前必須在火星預設其所需的裝備和物資。太陽能電動推進器能以緩慢但高效的方式將體積較大的物資帶進軌道并最終達到火星表面。

 

　　由于安裝了高能太陽能板帶動的電動推進器，太陽能電動推進系統(tǒng)的推動力相比于化學動力推進器要小得多，但效率卻可達后者的10倍。這大大地減少了所需的推進物和發(fā)射物料，因此是運送裝備到火星的實用選擇。

 

　　此外，核熱火箭發(fā)動機也是未來航天器的理想選擇。核熱火箭在核反應器內將液體氫加熱，并將其噴出火箭罩從而制造推力。在資金允許的情況下，NASA希望在2022到2024年內對一個小型核熱火箭進行測試，并于未來10年內在月球探測中對核熱火箭發(fā)動機進行飛行測試。

 

　　駕駛艙視景系統(tǒng)再升級

 

　　合成視景系統(tǒng)（SVS）和增強視景系統(tǒng)（EVS）在大型商業(yè)飛機的駕駛艙內很常見，這些系統(tǒng)能幫助飛行員在可見度低的情況下安全降落�，F(xiàn)在，結合了以上兩種系統(tǒng)的綜合視景系統(tǒng)（CVS）也進入人們的視野，這一系統(tǒng)旨在提升飛行員的情景意識以及時刻可靠性。

 

　　增強視景系統(tǒng)利用一個前視紅外傳感器增強飛行員對外部世界的觀察，外界情景通常會投射在頭戴式顯示器上。合成視景系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫對外界進行虛擬式顯示，通常顯示在平視顯示器上，但也能在頭戴式顯示器內與增強視景系統(tǒng)相結合。

 

　　隨著低成本非致熱傳感器和多光譜傳感器（從紅外長波到光學短波）的發(fā)展，增強視景系統(tǒng)也得到了巨大發(fā)展。艾爾比特系統(tǒng)公司的ClearVision系統(tǒng)擁有6個包括短波紅外和可見光的傳感器，研發(fā)人員正在擴展該系統(tǒng)以探測如火山灰等其它威脅安全的因素。

 

　　長遠看來，安裝在無人駕駛飛行器上用以自動探測躲避其它物體的傳感器和系統(tǒng)有望進入人工駕駛飛行器內，畢竟，未來的空域將越來越復雜，交通工具也將多樣化，這些都能成為幫助飛行員安全駕駛的利器。

 

　　商業(yè)飛機超音速飛行

 

　　商業(yè)飛機發(fā)展的焦點一直是在亞音速飛行的基礎上提高燃油效率，但提高速度如今再次進入人們的視野。NASA正在研究將聲爆最小化，從而去除這個在經濟和環(huán)境上限制超音速飛機運營的重要原因。但減少機場噪音和提升巡航效率方面也需要更多研究。

 

　　NASA計劃在2019年對安靜超音速交通（QueSST）的X飛機進行測試。這一飛機的外形經過嚴密的特殊設計，目的在于將聲爆降低到大眾可以接受的程度。屆時，人們對測試航班的回應評價可能會成為促使管制者取消超音速飛機禁令的開端。

 

　　Aerion公司等生產商認為不久的未來將出現(xiàn)超音速商務機市場，但灣流、波音和其它生產商則認為除非將聲爆降低到75分貝這種程度，否則超音速商務機或小型客機在經濟方面都不具有吸引力。

 

　　研究證明，超音速飛機從倫敦飛往悉尼只需2小時，不過，要想在商業(yè)上可行，研究人員還需研發(fā)出符合安全、可靠性和效率要求的推進系統(tǒng)。

 

　　電力夢想或許將成真

 

　　雖然發(fā)展仍處于初步階段，但電動推進裝置吸引了很多人的注意力。有了如今的鋰離子電池，全電動力飛機已經成為現(xiàn)實，但再大一些的飛機可能需要混合推動力裝置，比如通過低溫降溫超導系統(tǒng)驅動分布式扇片的渦輪電動發(fā)電機。

 

　　如今市場上已經出現(xiàn)全電動兩座訓練機，混合電力四座飛機也即將面世。NASA計劃在2020年以前研發(fā)出9座的“細長型”通勤機。歐洲和美國的研究者認為在2030年前可以研發(fā)出100座以下的混合電力客機。但這些都需要能源儲存方面出現(xiàn)突破性發(fā)展。

 

　　電動力利用可再生能源，因此可以實現(xiàn)零碳排放，此外，電動力還可以實現(xiàn)飛機的新異構型，使分布式推進力與空氣動力互相結合互相促進作用。想想吧，從多轉子、可垂直起降的空中出租車到在尾翼安裝嵌入式發(fā)動機、利用尾流降低拉力的大型客機，多酷！

 

　　低緯度商業(yè)飛行平臺

 

　　平臺和負載能力方面的提升將促使小型無人機進入諸多新興的低維度市場，比如基礎設施檢查到包裹快遞，而商業(yè)方面更大、負載力更強的平臺也有望成為現(xiàn)實。

 

　　其中一種是可以在平流層內停留數(shù)天或數(shù)周的高緯度耐久型飛機，這種飛機可以為偏遠地區(qū)提供網絡信號、災后恢復通訊及導航或實現(xiàn)遙感功能，而且比衛(wèi)星更廉價，反應速度更快也更敏銳。

 

　　臉書和谷歌正在研發(fā)天陽能平流層無人機，歐洲也在以兩種不同的方式研發(fā)這種“準衛(wèi)星”。泰雷茲Alenia Space研發(fā)的平流層巴士自動飛船可以在空中停留一年，預計于2020年前進入市場。（編譯自《航空周刊》）