航空公司为更绿色的未来做准备

本文最初发表于我们 2022 年 11/12 月刊，题为“更绿色的天空”。点击此处订阅以阅读更多此类文章。

所有客机都呈管状是有原因的。当飞机爬升到一定高度时，外部气压会自然下降，氧气含量也会随之降低。为了防止乘客晕厥，飞机将空气泵入客舱。这会增加内部气压和可呼吸氧气的含量。

但是，将密闭空间充满空气就像吹气球一样。麻省理工学院国际航空中心飞行员兼主任 R. John Hansman 解释说，挑战在于设计一个足够坚固以抵抗破裂的客舱。“形状最有效的是管状，”他说。

这就是为什么自 1949 年第一架喷气式客机起飞以来，世界各地停机坪上的飞机看起来都惊人地相似。标志性的管状形状加上两片后掠翼，每片翼都支撑着一台或多台发动机，是现代喷气机的标志。这种久经考验的模式在飞行领域——无论是字面上还是比喻上——都极大地推动了人类的进步。

然而，尽管表面上看起来差不多，但飞机在过去 70 年里实际上发生了很大变化。例如，航空业一直在不断提高燃油效率和降低噪音。而气候变化带来的新挑战正促使工程师们发挥创意，重新思考航空业的未来。

提高效率

大约 60 年前，航空业正进入喷气时代。如今，乘客乘坐小型螺旋桨飞机的时代已经一去不复返，比如 1935 年推出的道格拉斯 DC-3，这是世界上第一架商用客机，最多可载客 28 人。对航空旅行的需求——以及日益增长的可负担性和安全性——促使飞机制造商建造更大的商用客机，例如波音 707，它一次飞行就能搭载多达 181 名乘客。

“飞机历史学家，来自代顿大学的 Janet Bednarek 说：“第一代大型喷气机，在 20 世纪 40 年代末到 60 年代期间出现，‘非常非常吵’。持续不断的轰鸣声给航空业和机场附近居民之间带来了紧张关系。

噪音问题影响了下一代喷气式飞机的设计。在 20 世纪 70 年代，波音公司推出了 747，其尺寸是 707 的两倍半，可容纳 366 名乘客。乘客座位数量的增加降低了机票价格，而发动机设计方面的新创新也降低了噪音。

Bednarek 说：“尽管它大了很多，但比原来的 707 要安静。”

大型飞机也有助于航空公司在每位乘客的基础上提高燃油效率和成本效益。“航空公司对成本非常敏感，”Bednarek 说。“因此，拥有一架能够以更少燃料飞得更高、更远、更快飞机的非常重要。”

提高效率和降低噪音的方法在很大程度上与发动机结构有关。一种策略是增加涡轮风扇发动机的涵道比，使更多的空气绕过燃烧室而不是通过燃烧室。这提高了发动机的效率，同时还有降低喷气式飞机噪音的好处。

随着时间的推移，更大的涵道比增加了发动机的尺寸。“如果你回去看看 60 年代的飞机照片，它们有着非常小的喷气发动机，”Hansman 说。“如果你看看今天的飞机，它们看起来很相似，但发动机要大得多。”

但他补充说，涵道比只能提高到一定程度，否则发动机周围的材料会变得太大，产生过大的阻力，降低飞机的效率。“我们正处于一个……你必须做些不同的事情的点。有一些提议要做非常不同的配置，”他说——这意味着我们可能会开始看到不采用标准管状-机翼设计的飞机。

例如，有一种“双气泡”飞机，这是麻省理工学院、美国宇航局和波音子公司 Aurora Flight Sciences 的一个想法。这种设计将使飞机机身宽度加倍，并将发动机放置在尾部，而不是机翼下方。它最早于 2010 年提出，2017 年，美国宇航局授予了一份研究合同，用于其新型亚音速 X 飞机的设计。

最近推动创新的一个重要因素是气候变化和降低排放的压力，Hansman 和 Bednarek 都将此描述为该行业“生存”的挑战。

波音商用飞机公司环境战略总监 Sean Newsum 表示：“航空运输产生的‘约占全球碳排放量的 2% 到 2.5%’。“虽然这个比例很小，但它是一个显著的比例。”

寻找可持续性

专家表示，让航空旅行更环保，需要超越一种像改进加压舱新形状这样的“一刀切”的解决方案。波音和其他航空航天公司正在同时研究几种应用，以针对行业的不同部分。

可持续航空燃料 (SAF) 是一项有前景的创新，也是目前最容易规模化的。这些化石喷气燃料的替代品通常由天然材料制成，包括食用油、动物脂肪、常见的农作物或藻类。一些 SAF 已经与传统喷气燃料混合，在今天的喷气发动机中燃烧。研究人员正在努力提高在当前和未来飞机中使用的 SAF 的比例。Newsum 表示，这是因为即用型基础设施使 SAF 成为飞机脱碳最直接的解决方案。

氢气也已成为一种有前景的燃料替代品，因为它只留下水蒸气。但将其储存在飞机上会带来挑战，因为它必须保持在零下 423 华氏度以下才能作为液体使用。到目前为止，还没有商用喷气机使用这种燃料。“它还需要一段时间才能进入市场，”Newsum 说——这就是为什么波音公司在开发长期使用的氢气的同时，将 SAF 作为短期解决方案。

另一方面，最近的一些努力催生了小型电动飞机。劳斯莱斯公司于 2021 年完成了“Spirit of Innovation”单人飞机的试飞，以色列航空航天公司 Eviation 开发的九座客机 Alice 正在测试阶段。然而，这里的障碍是为大型电动飞机提供动力所需的巨大重量和能量密度。“Spirit of Innovation”这样的小型飞机需要 6,000 节电池——足以驱动 250 户家庭。

Newsum 说：“这些小型飞机的潜力令人兴奋。“但是，要让它成熟到能够驱动 737 大小的飞机，还需要很长时间，也许是几十年。”

目前，波音和其他公司正在建造一种名为 eVTOLs（电动垂直起降飞行器）的小型电动飞机原型。大多数设计用于在短途通勤航班上运送几名乘客。一家初创公司 Kelekona 已经公布了一架看起来像科幻电影中的 40 座“巴士”的计划。一些 eVTOLs 也可能实现自主飞行。

资金是充足的——波音今年又向其与 Kitty Hawk Corporation 合作的 eVTOL 公司 Wisk 投资了 4.5 亿美元——但对于这类飞机来说，通往跑道的道路仍然漫长。

Newsum 说：“任何新技术都会面临挑战——这是创新过程的固有部分。“如果没有任何挑战，我们早就做到了。

太空飞行需要升级

将火箭发射到太空对环境并不好，这已不是什么秘密。许多传统火箭燃料是肮脏、有毒的，当它们突破地球轨道时，会将烟尘颗粒喷射到大气层最高处。而且，如今人类发射的火箭比以往任何时候都多。

面对气候变化，更高效、更可持续的火箭燃料正受到关注。氢和氧的组合，只留下水蒸气，为杰夫·贝索斯去年夏天的“新谢泼德”亚轨道飞行提供了动力。SpaceX 则使用比传统火箭燃料燃烧更清洁、更高效的甲烷来为其“星舰”火箭提供动力。

像 Blueshift Aerospace 这样的初创公司甚至在研究由植物材料制成的生物燃料用于火箭发射的可行性。但实际上，在蓬勃发展的太空旅行行业中，这仍然是一项艰巨的任务——频繁而遥远的旅行需要可靠、强大的动力。