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■主办：北京市科学技术协会 ■协办：北京科普发展中心、嘉星一族、首都图书馆 ■时间：2012年2月19日 ■地点：首都图书馆 ■主题：未来飞机的发展 ■主讲人：黄俊，北京航空航天大学教授，飞行器设计学科带头人，博士生导师。 ■提要：本文介绍了未来五种热门的航空技术：编队飞行、空中加油、超声速绿色飞机、波音X-48B，以及采用超声速冲压喷气发动机的飞行器。这些新技术是出于什么样的考虑？短期内能不能实现呢？会给我们的出行带来怎样的变化？又会产生怎样的问题？ 航空的基本知识 ■什么是航空？ 为了让大家更好地理解未来五种热门航空技术的基本原理，我要先说说航空器的一些基本概念，以及飞机飞行的基本原理。 《大百科全书》给航空下了一个定义：“航空是指载人或者不载人的飞行器，在地球大气层中的航行活动。”也就是说航空器在有空气的地方的航行活动，就是航空。但地球的大气层很高，随着高度的升高，空气是越来越稀薄的，那么到现在为止，离地球表面多高的范围内是航空呢？从1903年莱特兄弟的飞机飞行成功到现在过去一百多年了，上世纪六七十年代是航空发展的鼎盛时期，到现在为止，飞得最高的航空器也就是三万多米。今天讲的航空大概是在距地面四十公里以下的区域里面的活动。 为什么航空必须要有空气呢？有两个方面的原因。第一，飞机升空飞行要有升力，升力是靠空气动力产生的，在真空里面就不会产生升力了。第二，飞机飞行的时候会产生阻力，阻力由航空发动机产生推力来克服，航空发动机推力怎么产生的呢？是利用空气中的氧气和飞机上载的燃油燃烧来产生推力的，所以航空必须要有空气。 ■航空器分为两大类 航空器可以分为两类：一类是靠空气的浮力升空飞行的气球飞艇，是轻于空气的航空器；另外一类是它自身比空气重飘不起来的，是重于空气的航空器。 热气球就是空气加热以后，气球气囊里面的密度比外面的轻，所以就浮起来了。飞艇实际上就是气球加上一个控制系统，再加上一个动力装置，下面有个吊舱，可以控制的气球就是飞艇，它也是靠气囊里面装氦气或者是氢气来升空飞行的。 重于空气的航空器大家都很熟悉，就是飞机。它以固定的机翼产生升力，有的飞机上装有发动机产生前进的动力。 滑翔机跟飞机的区别就是滑翔机没有动力装置，没有发动机，那它是怎么飞上天的呢？可以用别的飞机把它拿根绳子牵上去，或者它自己装发动机飞上去以后，主动地把发动机关掉。 直升机跟飞机的不同就是直升机的机翼是旋转的，由发动机带动旋翼旋转来产生升力，或产生前飞、侧飞、倒飞的动力。 还有旋翼机，或者叫做自转旋翼机，它跟直升机看起来很相似，但是它的旋翼跟发动机没有连起来，是自己转的。还有扑翼机，机翼像鸟一样上下扑动来产生升力或产生前进的推力。还有一种轻转旋翼机，美国海军已经装备了，给舰队做运输。它结合了直升机和飞机的特点。起飞着陆以直升机模态，不需要机场和跑道，飞起来以后变成飞机，飞得快，人乘坐在里面也舒适，也飞得远。 ■飞机为什么能飞？ 飞机比较重，比如现在的A380，满载的时候五百多吨，这么一个大家伙怎么能飞起来？它必须要有个力来平衡自身的重量才能飞起来，这个向上的力我们把它叫做升力。那么飞机飞起来的时候，空气跟它的表面会有摩擦，这个摩擦会产生阻力，阻力由飞机上面装的发动机产生推力来克服。所以飞机在飞行当中就受到四个力的作用：一个是它自身的重量，叫重力，必须要有一个向上的力——升力来平衡它；另外，它产生的阻力要由发动机产生推力来平衡它。 升力是由飞机的机翼产生的。大家见过刮风的时候房顶被掀掉吧，为什么呢？我们坐在屋子里，身体的表面都承受着一个大气压的压力，但是我们为什么感觉不到呢？因为我们的体内也有一个差不多的大气压，就抵消掉了。刮风的时候，屋子里面还是一个大气压，外面的空气有速度以后，它的压力就小于一个大气压了，外面的空气作用在房顶的外表面，里面的空气作用在房顶的内表面，里面的压力大，外面的压力小，就把房顶给顶起来了。 那么飞机机翼是怎么产生升力的呢？就是在设计飞机的时候，从机翼下表面流过的空气速度低一点，压力就大一点；从机翼的上表面流过的空气速度快一点，压力就小一点，这个压力差就是升力。当这个升力大到等于飞机重量的时候，飞机就离地了。 那么升力的大小与什么有关呢？第一个是机翼的面积，也就是翅膀越大，升力就越大。第二个是飞行速度，速度越快，升力就越大。第三个是空气密度，空气密度越大，升力就越大，也就是说飞机飞得越低，升力就越大。机翼的剖面或平面形状有一个系数，叫升力系数，它跟机翼的面积平方成正比；跟飞行速度的平方成正比；跟空气的密度成正比。 再来说一下阻力。飞机飞行中，机翼产生升力的同时也会产生阻力，机身飞行的时候不产生升力，但是它也产生阻力。这个阻力要由发动机产生推力来克服掉。飞机的阻力和升力的计算公式完全一样，不同之处只是阻力系数。机翼面积越大，阻力越大；飞行速度越快，阻力越大；空气密度越大，阻力越大。假设飞机在一公里的高度上飞行，它的升力是大，但是阻力也大，需要发动机来克服它的推力就大，那么发动机的油门就得大，这样油箱里面的油很快就烧完了，所以飞机不能飞那么低。 设计飞机的时候有一个目标，就是让飞机的升阻比最大，越大越好。升阻比就是升力和阻力的比，就等于升力系数和阻力系数之比。 五大热门航空技术 ■编队飞行 英国机械工程师协会说，未来跨洋飞行或者长途飞行的客机，可以组成一个编队，大家一块来飞。经过计算，这样大概可以节省12%左右的燃料。 那么这个技术来源于什么呢？就是大雁冬天要飞到南方，开春以后再飞回来，这种鸟长途迁徙的时候就是编队飞行。飞机是不是也可以跟大雁一样编队飞行呢？ 为什么要提出编队飞行呢？最主要的目的就是节省燃料。为什么能够节省燃料呢？从大雁飞行就可看出来。大雁V型编队飞行的时候，飞在后面的那些大雁会省力，打头的那个省不了力，所以大雁飞行的时候要轮换着带头。V字型的飞行为什么会省力呢？因为飞行的时候可以增加升力，同时阻力还是那么大，就相当于升阻比增大，或者说是相同的升力的情况下阻力小了，这样飞机发动机烧油就少一点。 为什么V型编队能够增加升力呢？机翼就那么长，有末梢，在末梢处下表面的压力大，上表面的压力小，高压力的空气就会往低压力的地方跑，所以飞机飞起来以后，会卷起来一个一个的逆时针的漩涡，叫做梢涡。机翼后面卷起的这个漩涡，让一边的空气往上，另一边的空气往下，如果后面的飞机正好是飞在向上的区域（Upwash）里，空气是不是就把它抬起来了呢？它就增加升力了。大雁就是飞在这个区域里边，它就省力了。但是，如果飞错了，飞到向下的区域（Downwash）里去了，那么就正相反。所以编队飞行，控制好几架飞机的编队很重要。大雁为什么能够飞得这么好呢？因为它自己的身体能够感觉到在哪里省力，而飞机自己感觉不到，不过现在随着传感技术的发展可能会有改变，测距有可能实现。 但是编队飞行还有好多问题，不是说飞机就能一块走的，它的目的地也不一样，所以编队飞行到底能省多少油，组成一个编队和单独飞消耗的燃油到底哪个多哪个少，还要做一个衡量。 有人提出来，编队飞行能不能解决航班延误的问题呢？解决不了，甚至有可能会造成航班延误。一架飞机飞起来，还等其他飞机来编队呢。航班延误问题主要是气候原因和管理问题，现在是管理的问题更多一点。 ■空中加油 空中加油是一个非常成熟的技术，国外二战时期就有了，我们国家上世纪90年代已经掌握了，军用飞机进行空中加油已经非常普遍了，它的主要目的是用来增加军用飞机的航程或者作战半径。但是到现在为止，还没有给民用飞机加油的空中网络。 一个飞机设计好了以后，它的起飞总重是有一定的限制的，在这个总重下，一架民用客机可以在载客量、航程和燃油量之间进行折中和权衡。也就是说同一架飞机，少装几个人，多装一些燃油，就可以飞得远一点；要是多装一些人，少装一些油，就飞得近一点，总重量保持不变。举个例子来说，波音747在A380出来之前是世界上最大的客机，它可以跨太平洋飞行，可以飞1.3万公里以上，但是日本人买的波音747用于国内航线的时候，日本的国内航线太短，所以就把客舱改成全经济舱布置，可以坐550个人，少装点油，就可以在日本的国内航线飞了。 但是发动机是用燃油来产生推力，来克服阻力，随着飞机不断飞行，发动机不断工作，燃油越来越少，也就是说如果用波音747或者A380从北京飞到美国，起飞之前要把这一路上能够用到的燃油都装好。现在波音747装满了以后能够装210吨，A380装得更多，300吨燃油，那么A380装人的总重量是多少呢？70吨。就是为了把70吨重量的旅客运过去，要装300吨左右的油。 那么空中加油是什么意思呢？飞机设计的升阻比一定，假如北京飞美国的航班，起飞的时候少装点油，飞机的阻力就小，消耗的燃料就少，能省油；还有就是少装点油，多装一些人，可以多卖票，会赚钱。但是少装点油起飞，到不了美国怎么办呢？空中再给它加进去。所以空中加油的目的也是为了省油，或者是多卖出几张飞机票，多赚点钱。 有人担心空中加油会不会有汽油味道，我告诉大家，现在飞机都是气密座舱，客机都是密封的。飞机飞到一万米的时候，我们身体里面是一个大气压，外面是0.3个大气压，如果飞机不气密的话，人根本就受不了。所以加油那个油味道肯定不会进入客舱的。但是我们这么多人坐在里面，有个庞然大物在前面给它加油，可能心理上还是有一些担忧的。 空中加油必须要有空中加油的网络，得有空中加油机，那么这加油机它也要烧油，也是要有成本的。所以做决策不就是这样收益和消耗之间来折中吗？能不能实现就得来比较。 ■超声速绿色飞机 1903年以来，超声速运输机只有两个，一个是英国和法国联合研制的协和号，另外一个就是前苏联的图-144，但是超声速战斗机就多了，人们总是想飞得快一点。 在海拔50米左右的地方，声音的传播速度大概是每秒钟340米，超过每秒钟340米就是超声速。协和号曾经投入航线使用，但是问题比较多，第一是票价太高，第二是噪声太大，第三是故障太高，用了几年以后停飞了。票价太高是因为它烧油太厉害，它用的早期的涡轮喷气发动机油耗非常大。噪声大是因为超声速飞行的时候有一个声爆问题，这使得协和号超声速飞行的区段受到了限制，比如它从欧洲飞到美国，只能在大西洋上空才能超声速，在陆地上面都不能。另外，它用的涡轮喷气发动机噪声也很大，发达国家很多机场都不许噪声高于多少的飞机着陆，所以美国只有个别的机场能够让它着陆。所以它的商业运行很不成功。 超声速绿色飞机是为了解决第一代飞机中的两个关键的问题，一个是声爆噪声的问题，第二个就是经济性的问题——降低耗油率。声爆跟飞机的大小成正比，飞机的体积越大，它噪声越大，影响越大。声爆不光是一个噪声的问题，而且它会产生一个冲击波，协和号要是在陆地上空飞过的话，下面的一些建筑物的玻璃都会被它给震掉；第二就是涡喷发动机油耗高，发动机自身的噪声也很大，不超声速飞行的时候也很大。 超声速绿色飞机现在在世界上争论还比较多，我们国家包括我本人也做过一些研究，我们国家也安排了一些课题，但到现在为止还没有提到立项的问题。洛克希德·马丁公司提出了超声速绿色飞机的概念，巡航速度将近两倍音速。它设计得像标枪一样，就是要减少声爆的影响，还要降低油耗、减小噪声。 从技术上来讲，它的设计能不能解决声爆现在说不好；另外它需要采用先进的发动机或者其他的先进技术来达成航程，要飞得远，发动机油耗要低才飞得远；还有就是对环境的污染问题；还有经济可承受性的问题。它可以利用一些军用发动机的先进技术，但是可能普通老百姓不会从中受益，受益的还是那些有钱的人。 ■波音试验性飞机X-48B 这种飞机的造型跟以前的飞机不一样，它把机身、机翼之间的分界模糊掉了，这叫做翼身融合体。为什么翼身融合是一种先进的布局形式？ 民用客机发展到今天，从第一代波音707开始，到最先进的A380，飞机看起来外形都差不多，都是靠机翼来产生升力，机身是不产生升力的，但是飞行过程中会产生阻力。这个X-48B把机翼机身融合在一起，做成大机翼，都可以产生升力。这个外形就是为了增加升力，阻力不一定减小，但是升力增大了，阻力还一样，升阻比就上去了，如果重量一定的话，相当于阻力就小了，就省油了。 所以未来的民航客机基本上是围绕燃料消耗这个问题来考虑的，减少飞机的阻力从而达到节省燃油的目的。在结构和使用效能方面X-48B比现役客机也有优势，具体表现为它可能飞得更远，它的油耗低了，装同样多的油可以飞得更远，经济性好，机翼机身做成一体，有可能可靠性更高。 但是X-48B有没有问题呢？有的。如果把客机做成这个样子，里面乘客的座椅怎么布置呢？就跟我们今天讲堂的布置差不多了。有的乘客可能不太喜欢这种剧院式的布置形式，有人喜欢坐靠窗户的地方，飞机做成这个样子以后，靠窗户的座位就少了，但这还不是主要问题。另外一个问题就是应急救生。民航飞机不像战斗机在空中可以弹射跳出来，民航飞机在空中不能跳伞，适航条例规定，任何飞机必须在八十秒之内让所有人逃出来。如果飞机里面这么布置，逃的时候怎么办？两边都跑掉了，中间的怎么办？ 空客A380这么大，可以坐五百多人，最多可以坐八百多人，是做过试验的，乘客在八十秒之内全都逃出来了，为什么效果这么好呢？因为参加实验的人都知道这是做实验，没有真正的安全问题，所以逃生的时候都按顺序，很顺利地就跑出去了，但是这不反映逃命的问题。然后又做一个实验，先跑出去的头三十名奖十英镑，结果这下坏了，三分钟了人还挤在门那儿。所以X-48B作为未来客机的可能性已经比较小了，但是它有可能作为运输机或者空中加油机。 ■超声速冲压发动机与空天飞机 我们前面讲两倍音速，叫超声速飞行；采用超声速冲压喷气发动机（或超燃冲压发动机）的航空器是5倍音速以上，一般把它叫做高超声速飞行。 喷气发动机产生推力的原理就是空气或燃烧后的燃气高速喷出去以后，产生一个力。那么这个超燃冲压发动机有什么不同呢？在燃烧的时候，它必须是超声速的，它要解决的，是今后我们的太空旅行的成本问题。现在基本上每个人买张机票都可以坐飞机了，但是要到天上去看一看还不行。 这个发动机的原理已经试验过。2004年，美国的试验飞行器用这个发动机飞了，声速飞到了9.8马赫（物体速度与音速之比值，即音速之倍数），但是它的工作时间比较短，12秒；2010年又试了一次，速度没有那么大，但是也超过5马赫了，试验时间已经达到140秒。这种发动机的目的就是降低空地往返的成本，使大众实现太空旅行。 美国的航天飞机有效载荷是25吨（我们的天宫一号是8.5吨），它的轨道器重109吨，但是它地面发射的时候要有一个外挂油箱，自重30吨，油箱里边要装616吨的液体氧，燃料是103吨的液态氢，起飞的时候还要两个固体火箭发射助推器，每个重量是590吨。所以大家算一算，为了把109吨的航天飞机发上天，发射的时候要装一千多吨的重量上去，特别是要装616吨的液态氧。 那么超燃冲压发动机就不用带氧气了，而是利用空气中的氧气，它的重量就轻下来了。当然它要带燃料，可以带液态氢——问题是液态氢虽然重量很轻，但是容积太大，飞机的个头太大了以后，阻力也大，需要的推力也大，这也是个矛盾。 总之超燃冲压发动机就是为了不用带氧气。从理论上讲，采用超燃冲压发动机，最大速度可以达到12倍音速，极限可以达到24倍，接近第一宇宙速度（物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，别称航天器最小发射速度、航天器最大运行速度，7.9公里/秒），它还不能入轨，但是可以到达100多公里的高度，进行亚轨道旅行。 但是，采用超燃冲压发动机，第一个问题是它速度低的时候不能工作，它必须在5倍音速的情况下才能工作，至少也要4.5倍，所以在它工作之前必须用其他的手段把飞行器加注到4.5倍音速。第二个问题是超声速燃烧，美国有一次做实验，没有燃起来，失败了。还有工作时间短、自己不能直接进入轨道、返回大气层后的热量问题和冷却问题等等，它存在问题还比较多，但这确实是一个未来的方向。现在已经有一个概念叫空天飞机，空天飞机的动力装置就是超燃冲压发动机。 （本文根据录音稿整理，未经主讲人审定） |
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