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未来航空打开想象空间

来源:来球网斯诺克 时间:2024-07-07 08:01:57 浏览量:10131

  未来航空,会是怎样?从材料到发动机,从通信到能源动力,人们在猜测,颠覆性的改变会从哪里发生?一般来说,材料制造是航空发展的基础,能源动力对飞行器有决定性影响,信息电子将全方位变革传统航空形态……

  “双碳”目标要求民航向绿色低碳方向发展,民用航空将更环保、更安全、更经济。航空科技发展的总趋势是高能化与智能化复合发展,高能为“体”,智能为“魂”。高能化是对能量、物质的更多掌控,决定了航空装备能达到的物理边界,对飞行高度、航程、速度、机动性等性能指标有直接影响。智能化是对信息域与认知域掌控,决定了航空装备运用的能力,能轻松实现更高的效率、更准的决策。

  高动能,主要对应航空平台的技术革新方向。高速飞行、超机动性、长时间滞空等都是其发展的核心诉求,速度从亚声速、超声速到高超声速,高度从低空、中空到高空、临近空间,留空时间从数小时、几十小时至数天等。高动能在航空领域可发挥及其重要的作用,如低声爆超声速民机的应用等。

  高供能,主要对应航空动力的技术革新方向。大推重比、高燃油效率、高功率提取及新能源体系正成为航空动力系统的主要发展的新趋势,包括进排气的主动流动控制、高压比压气系统、新概念动力系统等有关技术都是目前航空动力研究的热点方向。此外,电动飞机和氢动力技术也将成为低碳化的前沿领域,为未来民航业创造更大的环保和经济潜力。

  高效用能,主要对应航空机电的技术革新方向。其中,多电/全电技术、全机能量优化、变革性能量传输与存储等将在航空电力电气系统中发挥关键作用,从而大幅度提高飞行器的性能水平。

  航空智能化的核心在于使飞行器具备自主感知、自主决策、自主执行、自主进化能力。

  自主感知使飞行器通过各类传感器和数据融合完成复杂环境和目标的分类、识别,生成能用于决策的信息;自主决策可充分的发挥AI在信息处理速度和处理量方面的优势,综合利用感知信息和决策算法,在各种复杂场景中快速作出利益最大化的决策,实现“机主人辅”甚至“完全自主”;自主执行能使人类从下达操作指令转变到下达任务指令,机器自主进行任务规划,并在执行过程中实时调整,最终替代人在任务执行中的作用;基于“自主遗传进化”算法,自主进化可使智能飞行器具有生命体特征,认知决策水平可通过不断学习而实时进化,自主提升能力,以应对全新环境。

  应该说,智能化将大幅度提高飞行器在不同环境中的感知、决策、执行、学习能力,将为未来航空打开更大的想象空间。

  航空领域素有“一代材料一代装备”的说法,可见材料属性对飞机性能至关重要。另外,航空工业本质上是高端装备制造业,制造技术对于实现稳定的大规模批产举足轻重。随技术的发展,航空工业正迈入材料、制造一体化时代,也使材料制造领域成为涌现颠覆性技术的重要来源。

  超材料是一种通过人为设计内部结构,实现超常物理性能的人造材料,其基本结构单元尺度小于它作用的波长,从而可控制光波、无线电波和机械波传播,典型超材料包括左手材料、光子晶体及声子晶体等。

  左手材料是一种可调控电磁波的电磁超材料,其介电常数和磁导率皆为负值,具有负折射、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和亚波长衍射等特性;光子晶体是一种可控制光子流动的光学超材料,用于光纤、微带天线及滤波器等,具有低损耗、大带宽、高增益等性能;声子晶体是一种可调控弹性波传播的机械/声学超材料,其带隙可抑制弹性波在一定频率范围内不能传播,可实现减震和降噪。

  超材料技术实现了功能到结构的逆向设计,对航空领域可能会产生诸多潜在的颠覆性影响:

  ——构造能实现完美隐身的超材料“隐身斗篷”和超材料吸波体,大幅度提高飞行器的隐身性能;

  ——将平面传输天线与超材料耦合设计,可提高天线辐射效率并缩小尺寸,推动航空装备微波射频组件的小型化、集成化发展。

  智能结构技术将传感器、驱动器和控制元件集成到基体材料中,实现自诊断、自适应和自修复等功能,是未来先进飞行器的发展趋势之一,主要研究方向为智能蒙皮和自适应变体结构等。

  智能蒙皮将几千个尺寸仅有米粒大小具有感知、处理和通信能力的微型计算系统植入材料内部,协同感知旁边的环境,从而调控过热和超应变区域,或调节内部电磁参量,降低电磁散射信号实现隐身功能。智能蒙皮将功能组件与结构相集成,具备无线电探测、能量存储等功能,在减轻重量、节约空间、提高飞行器隐身性能等方面具有很大潜力。

  自适应变体结构通过感知飞行器飞行环境和姿态变化,经处理机运算决策后闭环控制飞行器结构局部或整体连续光滑变形,使飞行器保持最优性能和气动效率,实时适应多种飞行环境和任务需求。

  总的来说,智能结构对航空领域可能会产生三个潜在颠覆性影响:第一、机翼自适应结构变形可进一步减阻降噪,提高飞行经济性;第二、采用智能结构的高速飞行器可感知高温区域并进行外形自适应和材料自修复,有效解决“热障”问题,降低热防护设计难度;第三、采用智能隐身材料可进一步提升隐身性能,提升飞行器生存能力。

  发动机和燃料可看作飞机的心脏和血液,该领域的颠覆性发展将深刻变革未来航空形态。

  可持续航空燃料(SAF)的应用被认为是最具潜力的技术。SAF是指可再生、使用的过程中对环境影响较小的航空燃料,具有碳排放少、降低对石油等不可再次生产的能源的依赖,促进经济发展等优点,大致上可以分为生物质燃料、合成燃料、电能和氢燃料四种。限于生产所带来的成本高、生产规模小、存储运输困难等问题,目前可持续航空燃料尚未得到普遍应用。

  可持续航空燃料技术对助力碳达峰碳中和目标、增强能源安全具有无法替代的作用,可实现航空动力系统的重大变革。未来民用航空动力系统利用可持续燃料作为涡轮发动机燃料,或直接用燃料电池为飞机提供动力,将大幅度降低航空业碳排放。

  自适应变循环发动机是通过调节发动机涵道比和总压比等热力循环参数,在高推力和高燃油效率模式间自动转换的下一代涡扇发动机。自适应变循环发动机经济性能佳、工作范围广,它可满足多种性能需求,使未来飞行器呈现多任务和多用途发展的新趋势。同时,可在多种飞行器上共享发动机技术,应用基准发动机衍生出系列发动机,扩大发动机适合使用的范围并降低研发成本。

  旋转爆震发动机(RDE)以爆震形式增压燃烧。爆震波在传播过程中实现了激波和燃烧波的耦合,燃烧速度快,波后压力、密度明显提高。这种发动机具有结构相对比较简单、比冲和效率高、工作域宽等优点。有研究认为,旋转爆震发动机相比现役涡轮发动机热效率理论上可提高15%。除自身单独作为动力装置外,旋转爆震发动机还可与涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机组合,提升原动力装置性能。

  旋转爆震发动机已成为未来航空动力领域最具潜力的变革者之一,应用前景广阔,对未来航空领域而言,在前期可作为动力系统,推动无人飞行器向小型化、远航程方向发展;在后期可单独或作为组合动力系统应用在中大型飞行器上,提高推重比、降低油耗、提高经济可承受性。

  近年来,随着人工智能技术探讨研究进入第三波浪潮,量子信息、5G、大数据等取得突破,使该领域迅速成为炙手可热的研究方向,也成为重要的航空赋能技术来源地。

  脑机交互,也称脑机接口(BCI)技术在航空领域存在巨大应用价值,世界各国都在积极研究。2013年美国明尼苏达大学实现人类首次用脑电波控制四轴遥控飞机;2014年5月德国“脑飞行”计划实现飞行员用大脑精准操控飞行。

  脑机接口技术能创造出新型的飞行器控制方式。或许,未来航空领域能实现由大脑直接控制飞行器,减少或完全替代肢体操作,极大改变传统人机界面。或许,未来航空领域能借鉴人脑构造和运行,开发全新信息处理系统,赋予航电系统新的功能和形态。或许,未来能与虚拟现实技术结合,应用于飞行模拟训练中,能大大降低训练成本并提高训练的安全性。

  近些年,量子信息技术在理论和实验上都取得长足进步。在理论上,掌握了量子错误修正码等更先进的理论,极大提高了量子计算的容错率;在实验上,各国投入大量资源进行研发。量子信息技术将全方位变革传统航空电子形态。例如,量子计算超常规算力不但可实现飞机研发优化,还可加速AI算法训练与执行,提升体系指挥决策效能;再比如,量子通信可提供高速保密通信保障,基于量子陀螺的惯性导航能大幅度提高航空飞行器的自主导航精度,量子计量可为航空计量体系的建立提供重要支撑。

  多学科交叉领域是涌现颠覆性技术的重要源泉,而跨学科、跨领域的集成创新同样也是航空领域的特色,这使一批航空颠覆性技术体现出了交叉融合创新的特点。

  我国航空工业经过几十年发展,取得了辉煌成就。进入新时代,颠覆性技术的探索研究和产业化是实现航空强国的重要依托,同时也是一项极其复杂的系统工程,需要以战略眼光谋划布局,以战略定力推动发展。加强原始创新是新时代实现航空领域高水平发展的必由之路,以颠覆性技术为牵引是新时代航空领域实现换道超车的重要抓手,需要主动开展航空颠覆性技术的扫描、识别与预测,牢牢把握未来航空发展脉搏。