飞行要环保 设计创新很重要

2011-3-24 18:07 来源: 人民网
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  飞机出行的方式现在变得越来越普遍。由于飞行成本下降,到2014年,个人旅行次数将从2009年的25亿次增长到33亿次。但航空业除了要保持低价,制造更多飞机来增加运力之外,还必须推行环保、提高效率。

  目前,航空业占全球交通排放总量的12%,且该比重一直在增长。由于燃料是航空公司的最大的成本支出之一,因此燃料节约一直备受重视。然而,虽然飞机的燃料使用效率已经比过去有大幅提高,但飞机本身的设计却无太多改进。

  一些飞机设计师认为,传统机型在提高效率方面的潜力已经挖掘殆尽,要想进一步减少燃料消耗,设计新型飞机势在必行。多年来,人们不断推出一些新式样来,但都未能一飞冲天,如巨型飞翼飞机虽然效率高,但却不符合航空飞行实际情况。

  据《经济学人》报道,美国麻省理工学院和英国帝国理工学院的两个研究小组正致力于设计未来的飞机,让其既满足业界的实际需要,又能削减燃料消耗。

  马克・德瑞拉(Mark Drela)领导的小组在麻省理工学院的风洞里试验D系列飞机。与同样大小、同样飞行路线、、同样载客人数的波音B737-800型客机相比,新型铝制D8.1版飞机能够节省49%的燃料,而未来由复合材料制造的D8.5版能够减少71%。

  D系列飞机与现有飞机存在很多不同之处。D系飞机没有使用单一的圆柱体机身,而采用了双圆柱设计,提供了额外的升力,机鼻向上倾斜,进一步增加了升力,由此机翼可变得更加轻薄。三个引擎安装在飞机后方,与机身齐平,这样设计能使尾翼变得小巧,D系飞机的双尾翼比波音737客机的单尾翼重量减少近70%。

  除此之外,机身后方也经过精心设计,利用边界层吞吸过程来将空气吸入引擎。受摩擦阻力影响,最靠近机身的空气流速远小于其他部分的空气,而这些“低速”气流可以让引擎的燃烧效率更高,同时也能产生相同的推力。但利用该技术流入引擎的空气并不均匀,距离机身越远,气流速度越大,这对飞机部件产生了不良压力。研究人员通过重新设计和强化喷气发动机组件可以克服;另一种方法是放慢飞行速度,减少组件承受的压力。此外,D系列飞机允许设置额外通道,使得乘客上下飞机比单通道的波音737飞机速度更快。

  英国帝国理工学院的瓦纳瓦斯・瑟亥德斯(Varnavas Serghides)提出了另一列轻型飞机的设计,由于空气阻力更低,因此发动机更小,降低了燃料消耗。其中一款飞机具有两个喷气发动机支架,支架位于机翼上方,没有垂直尾翼。传统而言,飞机缺少尾翼很难飞行,但现在机械系统已经被电传控制系统所取代,据瑟亥德斯解释,不使用垂直尾翼和水平尾翼算不上根本性的改进。目前,瑟亥德斯已经将设计应用在模拟器上,并表示其运转良好。

  改善机翼附近的气流非常关键。层流优于湍流,因为湍流会产生阻力。具有完美空气动力学设计的机翼,从前缘到后端都应覆盖层流。在飞机保持航行所需要的燃料中,约一半用于克服湍流边界层所产生的阻力,而弄清空气从层流过渡到湍流的原因需要大量的计算。瑟亥德斯的同事菲利普・霍尔(Philip Hall)正致力于该问题的研究,预计能够设计出从前至后都能保持层流的机翼,从而降低燃料消耗。

  与仅仅重新设计机翼的形状不同,帝国理工学院的多米尼克・特尔奇(Dominic von Terzi)想通过改变机翼形状的表面,让其变得更为主动。他提出,可以使用一种孔槽系统,通过适当开合来创造能够保持层流的吸力。

  《经济学人》称,飞机制造业受到严格监管和风险规避,引入上述变化将要付出艰苦努力,在燃料效率上获得的提升让这种努力变得更有价值。