航空科普:飛機都長一個樣?其實它們大不同
來源:科普中國
發(fā)布時間:2022-12-30
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相比于各種夸張的創(chuàng)意、百花齊放的上世紀五六十年代,今天的民航業(yè)態(tài)似乎已經(jīng)是到了一個過于成熟、沒有太大創(chuàng)新的階段。現(xiàn)在你搭乘民航飛機的流程和感受,大抵與二十甚至三十年前沒有太大不同。

但是在這種表面的穩(wěn)定之下,民航業(yè)其實正在孕育著深刻的變革。讓我們看看在過去的幾年里,民用航空業(yè)都發(fā)生了哪些變化。


01

世界民航制造業(yè)格局

正在經(jīng)歷激勵震蕩

2022 年 9 月底,被寄予厚望的中國大飛機——中國商飛 C919 單通道干線客機在歷經(jīng)了五年多的試飛取證工作后,終于獲得了中國民航總局頒發(fā)的型號合格證。預(yù)計幾天之后,C919 就將首架交付給啟動用戶中國東方航空公司,并很快投入商業(yè)運營。

這意味著中國首款完全商業(yè)化的自主品牌大型客機正式開始參與國際航空市場的激烈競爭。

C919 的橫空出世,一舉打破了過去幾十年來穩(wěn)定的波音、空客兩強壟斷民航大飛機市場的格局。

于此同時,俄羅斯航空工業(yè)再次挑戰(zhàn)民航大飛機的作品 MC-21 在經(jīng)歷了一系列的內(nèi)憂外患之后,也將于最近交付俄羅斯 Rossiya 航空。

MC-21 和 C919 都是單通道窄體客機,它們將與波音的 737MAX 系列與空客的 A320neo 系列一起,爭搶民航業(yè)中最大的一塊蛋糕。新勢力的加入,必將對世界民航工業(yè)帶來新的動向。

幾家歡喜幾家愁,在中國商飛這樣的挑戰(zhàn)者躊躇滿志加入競爭的同時,另一些航空制造企業(yè)選擇退出了民機制造市場。

其中包括曾經(jīng)非常接近于成為民航大飛機制造商的加拿大龐巴迪公司,這家曾經(jīng)生產(chǎn)運營了一系列成功的渦輪螺旋槳和噴氣式支線客機,并于 21 世紀初推出了自己的百座級噴氣客機 CS 系列的老牌制造商,于 2020 年 2 月完全剝離了自己的客機生產(chǎn)線,目前專注于公務(wù)機的設(shè)計與生產(chǎn)。

龐巴迪的 CS 系列被空客購入,改頭換面成為了空客的 A220 系列。

而比 CS 系列更早的噴氣支線客機 CRJ 系列,則被日本三菱飛機公司收購。日本三菱購入 CRJ 的資產(chǎn),是為了完善自己的客機版圖。

但是在經(jīng)歷了一系列研發(fā)進度滯后,財務(wù)困難,加上新冠疫情對世界航空業(yè)的打擊,2021 年底,日本三菱決定放棄已經(jīng)進入原型機試飛階段的 SpaceJet 噴氣支線客機計劃。

至此,在花費了近二十年時間和無數(shù)的金錢之后,日本挑戰(zhàn)大型民機制造的夢想再次破滅。


02

客機換代悄然完成

當?shù)貢r間 2022 年 12 月 6 日晚,一架波音 747-8 型貨機從位于美國西雅圖埃弗雷特的波音生產(chǎn)線大門推出,這標志著被譽為空中女王的傳奇波音 747 結(jié)束了它 54 年的生產(chǎn)歷史。最終交付數(shù)字停留在 1574 架。

波音 747 是世界上第一種寬體客機,埃弗雷特生產(chǎn)線是為了這種巨型四發(fā)客機專門建造的,它的占地面積與整個故宮相近,是世界上最大的單體建筑之一。

波音 747 并不會感到孤獨,差不多一年前,它的挑戰(zhàn)者,空中客車的超級巨無霸客機 A380 的生產(chǎn)線也在完成了第 254 架之后停止了運行。

A380 也是一種四發(fā)巨型客機,它和波音 747 的漸行漸遠,標志著民航史上四發(fā)噴氣客機時代的謝幕。在寬體客機領(lǐng)域,雙發(fā)、稍小,但是更經(jīng)濟的空客 A350 和波音 787 系列已經(jīng)成為全球乘客洲際旅行時最常搭乘的機型。

在數(shù)量更龐大的窄體客機領(lǐng)域,陪伴了一代人的波音 737NG 和空客 A320ceo 系列都在不久前完成了最后一架的交付。

雖然這些經(jīng)典機型依然是目前機場里最常見的飛機,但隨著它們的接班人波音 737MAX 和空客 A320neo 系列的快速生產(chǎn)交付,大家會越來越多體驗這些新一代客機。

需要指出的是,波音 737MAX 系列目前尚未獲得我國民航部門的復(fù)飛許可,但在世界其他地方,它已經(jīng)恢復(fù)了正常的商業(yè)運營和生產(chǎn)交付工作。

如果不是瞪大眼睛豎起耳朵,你可能并不會注意到自己搭乘的是新一代機型,因為不管是外觀還是客艙內(nèi)部,這一代客機跟上一代的差別并不大。

外觀上的最大差異是發(fā)動機更換成了更大涵道比的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,直觀來說就是直徑更大了。這些更大直徑的發(fā)動機最顯著的特點就是比上一代普遍節(jié)油 10%-15%。更低的油耗意味著更低的運營成本和更少的二氧化碳排放。

除此之外,新一代發(fā)動機普遍降低了噪音水平,這也是為什么你需要豎起耳朵判斷自己乘坐的是不是新一代客機的原因。

我國的 C919 客機同樣采用了與波音 737MAX 和空客 A320neo 同級別的大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,因此也是新一代客機的重要機型。


03

節(jié)能減排

世界民航業(yè)的重大挑戰(zhàn)

隨著全球氣候變化造成的災(zāi)難發(fā)生頻率越來越高,碳排放、碳中和、碳達峰,這些字眼越來越多的出現(xiàn)在我們的日常生活中。

如今,世界民航運輸業(yè)產(chǎn)生的碳排放約占全球人類活動產(chǎn)生碳排放的 2.1%,占全球交通運輸產(chǎn)生碳排放的 12%。雖然從比例上看并不大,但是平均到每架飛機、每個航班、每個航空旅客,民航業(yè)又是不折不扣的碳排放大戶。

目前,很多航空公司和航空制造企業(yè)都提出了野心勃勃的在未來一二十年實現(xiàn)碳中和的宏偉目標。如果還是用改進現(xiàn)有的發(fā)動機,十年研發(fā)一代,每代油耗減少 10% 左右的步伐,碳中和的目標無異于癡人說夢。

為了實現(xiàn)航空的碳中和,一種新型燃油正逐漸成為人們關(guān)注的焦點,這就是可持續(xù)航空燃油(Sustainable Aviation Fuel,簡稱 SAF)。

這種燃油,不論外觀還是物理和化學(xué)性質(zhì),都與現(xiàn)在被普遍使用的航空煤油非常接近。目前,包括我國的多家航空公司在內(nèi),很多航司已經(jīng)用 SAF 進行了試飛,飛機的飛行性能正常。

不過,這種燃油是不會產(chǎn)生碳排放的,這是因為,碳排放計算的是化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放,SAF 來自于非化石燃料,是用廢棄食用油、廢棄農(nóng)產(chǎn)品和類似垃圾經(jīng)過提練合成而來。通俗的說法是,SAF 是用地溝油生產(chǎn)來的。

可用于生產(chǎn)生物航空煤油的生物油脂原料。圖片來源:中國石化石油化工科學(xué)研究院

這些原料,是現(xiàn)在的植物經(jīng)過光合作用,用大氣中的二氧化碳和太陽能合成出來的,所以使用 SAF 并不會增加大氣中的二氧化碳含量。

目前,SAF 的生產(chǎn)規(guī)模還比較有限,成本也要遠高于傳統(tǒng)的航空煤油,但相信隨著越來越多的航空企業(yè)加入,隨著產(chǎn)能的提升,SAF 的價格將逐步減低到合理的水平,成為航空業(yè)碳中和實現(xiàn)的主要助推器。


04

全新航空器

正從科幻飛入現(xiàn)實

可持續(xù)航空燃油解決的是現(xiàn)有的渦輪航空發(fā)動機的減排問題。

從上世紀三十年代英國和德國的航空工程師制造出第一批渦輪噴氣航空發(fā)動機到今天,這些發(fā)動機已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的持續(xù)改進,成為了助力人類飛翔的最重要動力來源。但從熱力學(xué)到材料學(xué),航空渦輪發(fā)動機逐漸遇到了瓶頸,全新的航空動力呼之欲出。

民航巨頭空中客車正在布局一個龐大的未來航空動力新景象,用于輕小型航空器的純電動方案、用于中輕型航空器的混合動力方案、用于大型航空器的氫動力方案,空客正在于奧迪、西門子等其他行業(yè)巨頭一起,為 2050 年的天空提供全套的解決方案。

2022 年 6 月,空客中國研發(fā)中心在蘇州落戶,這個研發(fā)中心的重點就是圍繞氫能,試圖解決從制造到儲存運輸和使用全產(chǎn)業(yè)的各種技術(shù)問題。動力方案的顛覆必將帶來航空器整體布局的全新變化,自上世紀六十年代至今沒有重大變化的飛機外形即將迎來改變。

這種改變,已經(jīng)發(fā)生在了一些也許不能被稱之為“飛機”的民用航空器上。這就是近幾年如火如荼的 eVTOL——電動垂直起降飛行器。

也許有些 eVTOL 看起來就像是大號的消費級無人機,但是這種航空技術(shù)和人工智能結(jié)合的產(chǎn)物,已經(jīng)從某種程度上改變了人們與航空的關(guān)系。除了 Joby、Volocopter、億航等新興企業(yè),包括波音、空客和中國商飛在內(nèi)的眾多傳統(tǒng)航空企業(yè),也加入了 eVTOL 研發(fā)的大潮。無人化、智能化、與城市地面交通的無縫銜接,eVTOL 將開拓出民航業(yè)的新邊界。

作者:魯坦



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