美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)最近挑選了5項(xiàng)與航空航天有關(guān)的技術(shù)進(jìn)行大力發(fā)展，這五個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別來(lái)自NASA位于弗吉尼亞、加利福尼亞和俄亥俄州的航天中心。其實(shí)，這些技術(shù)對(duì)于NASA來(lái)說(shuō)只是“開(kāi)胃菜”，是其目前正在進(jìn)行的更野心勃勃的“集中航空解決方案(CAS)”項(xiàng)目的一部分，后者將持續(xù)兩年時(shí)間。
這5個(gè)項(xiàng)目分別是：研究一種新型燃料電池；在3D打印技術(shù)的幫助下增加電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出；使用鋰空氣電池存儲(chǔ)能量；探究新的力學(xué)原理以改變飛行中的機(jī)翼形狀；使用輕質(zhì)氣凝膠制造一款新天線。
NASA“變革性航空概念項(xiàng)目(TACP)”負(fù)責(zé)人道格·羅恩說(shuō)：“這5項(xiàng)極富創(chuàng)意的想法，再加上我們?cè)?015年精挑細(xì)選出的6大創(chuàng)新性設(shè)想，將有助于我們解決目前航空領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)�！边@些挑戰(zhàn)包括減少燃料使用、減少航天業(yè)對(duì)環(huán)境的影響、降低機(jī)場(chǎng)周圍噪音等。隨著飛機(jī)數(shù)量不斷增加，這些挑戰(zhàn)也越來(lái)越嚴(yán)峻。
超高能低排放的新燃料電池
NASA的研究人員正在深入研究一款新型燃料電池，讓氫氣與氧氣結(jié)合發(fā)電，用于驅(qū)動(dòng)全電動(dòng)或混合動(dòng)力的電動(dòng)飛機(jī)。
燃料電池并不是一個(gè)新東西，而且與航空航天領(lǐng)域淵源頗深。燃料電池的歷史可以追溯到1838年，當(dāng)時(shí)德國(guó)化學(xué)家提出了燃料電池的理論，但其真正實(shí)現(xiàn)商用化則是1955年的事情。美國(guó)通用電氣工程師造出了實(shí)用化的氫燃料電池，隨即通用電氣就和NASA及麥克唐納飛行器公司發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用于“雙子星計(jì)劃(Project Gemini)”，這是燃料電池首次在商業(yè)上應(yīng)用，也讓美國(guó)成功打破了前蘇聯(lián)的航天飛行紀(jì)錄，推動(dòng)了燃料電池的商業(yè)化。在上世紀(jì)60年代的幾次太空任務(wù)中，燃料電池用于驅(qū)動(dòng)登月探險(xiǎn)車及供應(yīng)宇航員飲用水，均證明了它的實(shí)用性。
一般而言，氫氣和氧氣以超冷液體的形式存儲(chǔ)在飛機(jī)上，需要裝槽過(guò)程復(fù)雜且成本高昂，對(duì)小型單引擎飛機(jī)來(lái)說(shuō)，搭載這些氫氣和氧氣并不實(shí)際。
最新項(xiàng)目將研究一種燃料電池系統(tǒng)，能從標(biāo)準(zhǔn)的以碳?xì)錇橹鞯暮娇掌椭刑崛〕鰵錃猓瑥目諝庵刑崛〕鲅鯕�，接著將氫氣和氧氣混合�?lái)發(fā)電。這一過(guò)程的排放產(chǎn)物也會(huì)通過(guò)一個(gè)渦輪機(jī)，從而增加能量產(chǎn)出。
與燃料在標(biāo)準(zhǔn)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的能量相比，這一燃料電池的能效更高，因此能節(jié)省燃料并降低排放。而且，目前機(jī)場(chǎng)也支持這樣一套系統(tǒng)，因?yàn)樗恍枰侔惭b任何昂貴的新設(shè)施或其他配套設(shè)備。
3D打印造出的新型電動(dòng)機(jī)
NASA希望在接下來(lái)10年內(nèi)，竭盡全力達(dá)到與綠色航天有關(guān)的目標(biāo)，在此背景下，全電動(dòng)和混合電動(dòng)飛機(jī)有望“大顯身手”。此外，科學(xué)家們也希望改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量密度。
他們提出的解決方案是利用3D打印技術(shù)制造電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的零件，得到的零件會(huì)更輕甚至更小，與其他材料組裝在一起，從而制造出擁有更高能量密度的發(fā)動(dòng)機(jī)。
據(jù)NASA官網(wǎng)報(bào)道，NASA去年12月對(duì)一臺(tái)采用多個(gè)3D打印復(fù)雜部件的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)成功進(jìn)行了測(cè)試，采用低溫液氫和液氧燃料，產(chǎn)生了2萬(wàn)磅的推力，這也意味著向?qū)崿F(xiàn)全3D打印的高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)邁進(jìn)了一步。
研究人員表示，3D打印技術(shù)將在未來(lái)太空探索中發(fā)揮更大作用，未來(lái)的計(jì)劃包括對(duì)采用液氧和甲烷推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，這是用于火星登陸器的重要推進(jìn)劑，因?yàn)榛鹦巧峡赡艽嬖诩淄楹脱鯕狻?
用于電動(dòng)飛機(jī)的鋰空氣電池
廣泛采用電動(dòng)飛機(jī)面臨一大障礙：需要將足夠多的能量存儲(chǔ)在電池內(nèi)，即使對(duì)短途飛行的小飛機(jī)來(lái)說(shuō)也不例外。一個(gè)潛在的解決方案是使用鋰空氣電池，從理論上來(lái)說(shuō)，與其他電池技術(shù)相比其儲(chǔ)電能力最強(qiáng)。
鋰空氣電池是“會(huì)呼吸的電池”，這意味著隨著電池能量耗盡，氧氣會(huì)被拉入電池內(nèi)同鋰離子相互反應(yīng)；而且當(dāng)電池正在充電時(shí)，氧氣會(huì)被排出。但不幸的是，鋰空氣電池在使用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的電解液(使電池能工作的材料)會(huì)在操作過(guò)程中快速分解，使電池在經(jīng)歷幾次充電/放電循環(huán)之后變得無(wú)用。
NASA挑選出的科研團(tuán)隊(duì)將調(diào)查設(shè)計(jì)出新奇且超穩(wěn)定電解液的可行性。如果電解液不容易分解，電池就能持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，從而使飛機(jī)大大拓展其飛行距離。
順著翼展方向的自適應(yīng)機(jī)翼
要使飛機(jī)更節(jié)能，并且降低排放和噪音，有效方法是縮減垂直尾翼的大小。
飛機(jī)尾翼的大小基于一個(gè)需要：在起飛或降落的過(guò)程中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，能將飛機(jī)保持在跑道的中央。一旦飛機(jī)到達(dá)巡航高度，大機(jī)翼會(huì)增加飛機(jī)的重量和阻力，從而浪費(fèi)很多燃料。
一個(gè)有潛力的解決方案是，讓飛機(jī)機(jī)翼的尾端能按需向上或向下折疊，使主垂直尾翼更小。要實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的挑戰(zhàn)在于如何最好地完成移除硬件這一力學(xué)任務(wù)，需要解決的問(wèn)題包括更大程度地讓機(jī)翼緊湊且輕質(zhì)。
基于衛(wèi)星通信的輕質(zhì)天線
限制商用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)挑戰(zhàn)在于，美國(guó)國(guó)家空管系統(tǒng)要求所有此類飛機(jī)要在其地面飛行員操作的無(wú)線電通信視線范圍之內(nèi)。
無(wú)線電通訊技術(shù)可在一定范圍內(nèi)連接無(wú)人機(jī)和飛行員，NASA不希望通過(guò)衛(wèi)星來(lái)通信，但目前通訊設(shè)備對(duì)小型無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)太重。研究人員將研究輕量級(jí)、靈活的無(wú)人機(jī)，這將會(huì)減少飛機(jī)阻力、排放和燃料使用。
通過(guò)基于衛(wèi)星的追蹤系統(tǒng)來(lái)轉(zhuǎn)播命令、控制通信是一個(gè)潛在的解決方案，但涉及到的天線系統(tǒng)可能很重，而且會(huì)從飛機(jī)表面突出出來(lái)，增加阻力、油耗以及排放。
研究人員希望，通過(guò)布設(shè)一套可彎曲的天線，使基于衛(wèi)星的通訊成為可能，這套天線由輕質(zhì)且非常纖薄的氣凝膠組成，能很好地與飛機(jī)外形貼合，從而減少阻力，降低油耗和排放。
這款正在研究中的天線的一個(gè)關(guān)鍵特征是，它能在特定方向傳輸信號(hào)，確保飛機(jī)在低空飛行時(shí)能與衛(wèi)星保持穩(wěn)定連接，同時(shí)對(duì)地面的干擾最小。
研究人員表示，盡管這些技術(shù)最后不一定管用，但也只有試過(guò)之后才知道。
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