Jetliners的未來(lái)BIG vs FAST

亞洲積極的經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)預(yù)示著跨太平洋和跨歐亞旅行的即將到來(lái)的繁榮。由于交貨時(shí)間較長(zhǎng)，飛機(jī)制造商必須盡快決定飛機(jī)設(shè)計(jì)，以滿足未來(lái)十年的需求。與任何其他質(zhì)量流量問(wèn)題一樣，工程師面臨兩種選擇：提高流速或構(gòu)建更大的管道。在飛機(jī)設(shè)計(jì)方面，解決方案歸結(jié)為第二代超音速運(yùn)輸機(jī)或1000座超大型客機(jī)。在這兩者中，亞音速超大型民用運(yùn)輸(VLCT)似乎是值得肯定的，因?yàn)樗募夹g(shù)障礙似乎更低。不過(guò)，任何一架飛機(jī)的開(kāi)發(fā)成本預(yù)計(jì)都在100億美元以上，這是一場(chǎng)賭博，沒(méi)有任何制造商可以輕視。工業(yè)工程師目前正致力于這兩種可能性。

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VLCT的挑戰(zhàn)。制造商計(jì)劃的VLCT配置似乎是關(guān)于747長(zhǎng)度的雙層飛機(jī)。藝術(shù)家效果圖相信飛機(jī)的大小，直到人們注意到FAA規(guī)則所要求的緊急出口數(shù)量不超過(guò)90在緊急情況下疏散乘客的秒數(shù)。

VLCT的尺寸以及將飛機(jī)整合到現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中的需求帶來(lái)了重大的設(shè)計(jì)問(wèn)題。“為了有效競(jìng)爭(zhēng)，我們提議的A3XX客機(jī)將相對(duì)于(波音)747-400直接運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省約15%，”空中客車工業(yè)公司戰(zhàn)略規(guī)劃副總裁Adam Brown在最近的一次演講中解釋道。關(guān)于他的公司的超級(jí)巨型計(jì)劃。“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將需要在空氣動(dòng)力學(xué)，材料，系統(tǒng)和制造技術(shù)方面取得重大進(jìn)展。”

VLCT的空氣動(dòng)力學(xué)挑戰(zhàn)源于需要保持機(jī)翼相對(duì)較短并且為了經(jīng)濟(jì)起見(jiàn)而將阻力降至最低。“我們將重點(diǎn)放在超臨界，先進(jìn)的翼型上，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟呱ο禂?shù)和高機(jī)翼載荷方面效率更高，”道格拉斯飛機(jī)公司先進(jìn)寬體計(jì)劃經(jīng)理David Murphy說(shuō)。“結(jié)果是，與總重量成比例，我們可以在比現(xiàn)有設(shè)計(jì)更小的機(jī)翼區(qū)域內(nèi)有效飛行，從而更好地適應(yīng)當(dāng)前的機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。”

用于控制機(jī)翼上的氣流的技術(shù)也可以在改善百萬(wàn)磅以上的客機(jī)的經(jīng)濟(jì)性方面發(fā)揮作用。正在研究中：通過(guò)使用發(fā)動(dòng)機(jī)真空來(lái)控制層流，通過(guò)機(jī)翼上表面上的數(shù)千個(gè)激光鉆孔產(chǎn)生吸力。這樣的系統(tǒng)將通過(guò)阻止機(jī)翼上的湍流氣流的開(kāi)始而大大減小阻力。或者，也在考慮的循環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)在大型飛機(jī)機(jī)翼的前緣和后緣上排出高壓發(fā)動(dòng)機(jī)空氣，以根據(jù)需要提升升力。該概念將允許更小的機(jī)翼沒(méi)有復(fù)雜的襟翼機(jī)構(gòu)。然而，有消息稱，設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)輕量化和簡(jiǎn)單維護(hù)仍然是一項(xiàng)復(fù)雜的工程任務(wù)。

相比之下，工程師似乎對(duì)降低VLCT重量所需的材料技術(shù)充滿信心。“我們估計(jì)復(fù)合材料的應(yīng)用大約是機(jī)身相對(duì)于MD-11的百分比，”道格拉斯的墨菲說(shuō)他的公司計(jì)劃的600到800座MD-12飛機(jī)。他說(shuō)，大型復(fù)合結(jié)構(gòu)，如垂直和水平穩(wěn)定器，需要更大的高壓滅菌器和縫合機(jī)，但沒(méi)有顯示塞子。

先進(jìn)的引擎。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格，機(jī)艙成本，燃料使用和維護(hù)占長(zhǎng)途客機(jī)運(yùn)營(yíng)成本的40%。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)包含VLCT設(shè)計(jì)中遇到的所有技術(shù)挑戰(zhàn)。

在這里，設(shè)計(jì)主題似乎更具進(jìn)化性而非革命性，但同樣，規(guī)模令人吃驚。制造商計(jì)劃在初始版本的VLCT上使用的68,000磅推力高旁通渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的入口部分直徑約為100英寸，每個(gè)重約12,000磅。雖然它們很大，但現(xiàn)在正在為VLCT開(kāi)發(fā)更大的發(fā)動(dòng)機(jī)，這將提高燃油經(jīng)濟(jì)性并減少產(chǎn)生的噪音。

Pratt&Whitney將其超大型發(fā)動(dòng)機(jī)稱為高級(jí)導(dǎo)管推進(jìn)器(ADP)。基于其PW4000系列渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的共同核心，ADP將包括新技術(shù)，使其潛在推力超過(guò)120,000磅。ADP的突破性功能是風(fēng)扇和低速轉(zhuǎn)子之間非常高效的變速箱。3：1減速齒輪箱的額定功率為80,000馬力，使發(fā)動(dòng)機(jī)的高速渦輪機(jī)以10,000轉(zhuǎn)/分的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)保持風(fēng)扇葉尖速度低于1.4馬赫，效率急劇下降。

目前正在進(jìn)行測(cè)試的ADP演示發(fā)動(dòng)機(jī)包括單晶，蒸發(fā)冷卻，三維翼型渦輪葉片，電子束，氣相沉積陶瓷涂層。這些涂層需要抵抗先進(jìn)設(shè)計(jì)的浮壁冷卻燃燒室的2,800F溫度。旁通比為13：1，射流速度約為730英里/小時(shí)，ADP應(yīng)滿足預(yù)計(jì)的FAA“第IV階段”噪聲要求，并提供比任何早期設(shè)計(jì)更好的經(jīng)濟(jì)性。“現(xiàn)在，渦輪風(fēng)扇飛機(jī)可以在一加侖汽油上移動(dòng)一個(gè)座位100英里，”大衛(wèi)烏鴉解釋說(shuō)，普拉特'高推力推進(jìn)系統(tǒng)高級(jí)副總裁。“通過(guò)ADP，我們預(yù)計(jì)燃油經(jīng)濟(jì)性將提高15%。”對(duì)于航空公司高管來(lái)說(shuō)，這是音樂(lè)。

高速民用運(yùn)輸(HSCT)。雖然物理和環(huán)境法律共同反對(duì)建造一種經(jīng)濟(jì)的新型超音速客機(jī)，但它們將跨洋飛行時(shí)間減少50%以上的潛力為繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)工作提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。

這種激勵(lì)不僅僅是為乘客提供更大的便利：“如果你可以實(shí)現(xiàn)快速周轉(zhuǎn)，即將其保持在空中，那么HSCT可以在一天內(nèi)攜帶更多的乘客，而不是相同尺寸的亞音速飛機(jī)，”道格拉斯的墨菲解釋道。研究表明，如果將更高的生產(chǎn)率與票價(jià)相比不超過(guò)目前頭等艙票價(jià)的25%至50%，那么乘客量將支持500架HSCT車隊(duì)。

“基線”行業(yè)HSCT設(shè)計(jì)中心位于2至3馬赫之間的250至300名乘客，4引擎客機(jī)，范圍必須至少為5,000海里才能為具有足夠燃料儲(chǔ)備的跨太平洋航線提供服務(wù)。它的機(jī)翼將是一個(gè)尖銳的三角形，機(jī)身夾在機(jī)翼根部，以減少跨聲波阻力。消息人士謹(jǐn)慎預(yù)測(cè)到2010年HSCT首次亮相。

與超大型客機(jī)一樣，HSCT設(shè)計(jì)人員面臨的主要問(wèn)題包括增加復(fù)合材料的使用，改善空氣動(dòng)力學(xué)以及設(shè)計(jì)更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)。相似性在那里結(jié)束。

建立一支低維護(hù)，環(huán)保的HSCT車隊(duì)需要在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，極高強(qiáng)度，耐高溫材料，更好的環(huán)境建模和計(jì)算機(jī)化飛行控制方面取得巨大進(jìn)步。這項(xiàng)工作令人生畏，以至于世界各地的長(zhǎng)期行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手已經(jīng)建立了聯(lián)盟來(lái)解決這些問(wèn)題。

溫度/壓力極端。普拉特惠特尼/ GE飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合超音速運(yùn)輸推進(jìn)計(jì)劃的經(jīng)理理查德海因斯在普拉特公司工作了38年，其中有34年從事超音速發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。HSCT引擎看起來(lái)像是軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的放大版本。但是，他說(shuō)，“這將是復(fù)合材料技術(shù)的一大跳躍，而不是之前的設(shè)計(jì)。”

材料問(wèn)題歸結(jié)為HSCT飛行所需的飛機(jī)部件的熱量和壓力的前所未有的水平和持續(xù)時(shí)間。亞音速客機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)在每次飛行起飛時(shí)只需幾分鐘即可看到最大的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。相比之下，任何HSCT都會(huì)在相對(duì)較低的發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平下起飛，以最大限度地降低噪音。一旦達(dá)到開(kāi)闊水域和巡航高度，超級(jí)駕駛需要大部分飛行的最大油門(mén)設(shè)置。海因斯說(shuō)，沒(méi)人

因此，可靠性仍然是圍繞HSCT的最大技術(shù)問(wèn)題。Pratt's Crow指出，協(xié)和運(yùn)營(yíng)商必須保留第二個(gè)SST準(zhǔn)備好飛行，以防定期飛機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題。否則，乘客將獲得退款的退款，相當(dāng)于超音速和亞音速票價(jià)之間的差額。賺錢(qián)的HSCT業(yè)務(wù)不可能如此奢侈。

超級(jí)軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)是否有助于解答有關(guān)可靠性的問(wèn)題?是的，普拉特/通用電氣財(cái)團(tuán)的海因斯說(shuō)，但他警告說(shuō)，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)平均每年約200個(gè)飛行小時(shí)。HSCT發(fā)動(dòng)機(jī)需要在同一時(shí)間內(nèi)飛行3000小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，并且在大修之間可能需要10,000小時(shí)。

“我們正在研究新的編碼，新涂層和新材料，”海因斯解釋道。“在HSCT發(fā)動(dòng)機(jī)中，循環(huán)不像蠕變那么大。”關(guān)于在超音速飛行期間必須承受持續(xù)400華氏度溫度的機(jī)身材料以及飛機(jī)20年壽命的大部分時(shí)間，可以做出類似的聲明。

工程師們對(duì)減少500,000 HSCT飛機(jī)在60,000英尺處飛越臭氧層所需的設(shè)計(jì)感到更加樂(lè)觀。各種燃燒器設(shè)計(jì)，包括分級(jí)燃燒，有望將排放降低到預(yù)計(jì)的8%的電流限值。更重要的是通過(guò)增加用于亞音速飛行的高升力裝置來(lái)減少燃料消耗，通過(guò)精心的機(jī)身構(gòu)造來(lái)削減超音速阻力并且通過(guò)非?？焖俚娘w行控制計(jì)算機(jī)最小化控制表面運(yùn)動(dòng)。另一項(xiàng)要求：

由于所有這些技術(shù)仍有待掌握，而且燃料價(jià)格的前景一如既往地不確定，因此在300人以2.5馬赫的速度行駛之前，一次可能有1000人以0.8馬赫的速度行駛。但兩種類型的飛機(jī)都有機(jī)會(huì)。“壓倒性的事實(shí)是，世界人口中有75人生活在香港飛行時(shí)間的四小時(shí)內(nèi)，”普拉特弗蘭克說(shuō)。“他們非常低空飛行。”

然而，開(kāi)發(fā)任何一架飛機(jī)的巨大成本讓人懷疑，如果更大的傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)隊(duì)不會(huì)更便宜。在被問(wèn)到這個(gè)問(wèn)題時(shí)，道格拉斯的墨菲強(qiáng)硬說(shuō)：“這是進(jìn)步。如果你不嘗試改進(jìn)，你可以保證不會(huì)得到它們。”

HSCT設(shè)計(jì)障礙

每個(gè)座位的費(fèi)用不超過(guò)當(dāng)前頭等艙機(jī)票的1.5倍

開(kāi)發(fā)先進(jìn)的復(fù)合材料，以應(yīng)對(duì)增加的溫度梯度，延長(zhǎng)超音速飛行的高應(yīng)力

優(yōu)化亞音速和超音速飛行效率之間的機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)權(quán)衡。

為限制視力，空氣動(dòng)力學(xué)駕駛艙創(chuàng)建先導(dǎo)人工視覺(jué)系統(tǒng)

在起飛和超級(jí)巡航時(shí)減少聲學(xué)特征

開(kāi)發(fā)先進(jìn)的穩(wěn)定性和控制算法，以最大限度地減少產(chǎn)生阻力的控制面運(yùn)動(dòng)

VLCT設(shè)計(jì)障礙

與目前的大型飛機(jī)相比，降低了15%的直接運(yùn)營(yíng)成本

將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到大型飛行控制表面，機(jī)身

提高發(fā)動(dòng)機(jī)旁通比率以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)保持可靠性和當(dāng)前功率重量標(biāo)準(zhǔn)

符合預(yù)期的“第四階段”噪音水平標(biāo)準(zhǔn)

盡量減少必要的機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施變更和升級(jí)，以應(yīng)對(duì)更大的飛機(jī)

提高機(jī)翼升力/跨度比，減少超臨界翼型，循環(huán)控制或?qū)恿骺刂茩C(jī)制的阻力。