NASA綠色航天計劃：3D打印制造新型電動機

寂靜天花板

美國國家航空航天局(NASA)最近挑選了5項與航空航天有關的技術進行大力發(fā)展，這五個研究團隊分別來自NASA位于弗吉尼亞、加利福尼亞和俄亥俄州的航天中心。其實，這些技術對于NASA來說只是“開胃菜”，是其目前正在進行的更野心勃勃的“集中航空解決方案(CAS)”項目的一部分，后者將持續(xù)兩年時間。

這5個項目分別是：研究一種新型燃料電池；在3D打印技術的幫助下增加電動發(fā)動機的輸出；使用鋰空氣電池存儲能量；探究新的力學原理以改變飛行中的機翼形狀；使用輕質氣凝膠制造一款新天線。

NASA“變革性航空概念項目(TACP)”負責人道格·羅恩說：“這5項極富創(chuàng)意的想法，再加上我們在2015年精挑細選出的6大創(chuàng)新性設想，將有助于我們解決目前航空領域面臨的最大挑戰(zhàn)�！边@些挑戰(zhàn)包括減少燃料使用、減少航天業(yè)對環(huán)境的影響、降低機場周圍噪音等。隨著飛機數量不斷增加，這些挑戰(zhàn)也越來越嚴峻。

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，讓氫氣與氧氣結合發(fā)電，用于驅動全電動或混合動力的電動飛機。

燃料電池并不是一個新東西，而且與航空航天領域淵源頗深。燃料電池的歷史可以追溯到1838年，當時德國化學家提出了燃料電池的理論，但其真正實現商用化則是1955年的事情。美國通用電氣工程師造出了實用化的氫燃料電池，隨即通用電氣就和NASA及麥克唐納飛行器公司發(fā)展這項技術，應用于“雙子星計劃(Project Gemini)”，這是燃料電池首次在商業(yè)上應用，也讓美國成功打破了前蘇聯的航天飛行紀錄，推動了燃料電池的商業(yè)化。在上世紀60年代的幾次太空任務中，燃料電池用于驅動登月探險車及供應宇航員飲用水，均證明了它的實用性。

一般而言，氫氣和氧氣以超冷液體的形式存儲在飛機上，需要裝槽過程復雜且成本高昂，對小型單引擎飛機來說，搭載這些氫氣和氧氣并不實際。

最新項目將研究一種燃料電池系統(tǒng)，能從標準的以碳氫為主的航空汽油中提取出氫氣，從空氣中提取出氧氣，接著將氫氣和氧氣混合來發(fā)電。這一過程的排放產物也會通過一個渦輪機，從而增加能量產出。

與燃料在標準的活塞發(fā)動機燃燒產生的能量相比，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，目前機場也支持這樣一套系統(tǒng)，因為它不需要再安裝任何昂貴的新設施或其他配套設備。

3D打印造出的新型電動機

NASA希望在接下來10年內，竭盡全力達到與綠色航天有關的目標，在此背景下，全電動和混合電動飛機有望“大顯身手”。此外，科學家們也希望改進發(fā)動機的能量密度。

他們提出的解決方案是利用3D打印技術制造電動發(fā)動機的零件，得到的零件會更輕甚至更小，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)動機。

據NASA官網報道，NASA去年12月對一臺采用多個3D打印復雜部件的火箭發(fā)動機成功進行了測試，采用低溫液氫和液氧燃料，產生了2萬磅的推力，這也意味著向實現全3D打印的高性能火箭發(fā)動機邁進了一步。

研究人員表示，3D打印技術將在未來太空探索中發(fā)揮更大作用，未來的計劃包括對采用液氧和甲烷推進劑的發(fā)動機進行測試，這是用于火星登陸器的重要推進劑，因為火星上可能存在甲烷和氧氣。

用于電動飛機的鋰空氣電池

廣泛采用電動飛機面臨一大障礙：需要將足夠多的能量存儲在電池內，即使對短途飛行的小飛機來說也不例外。一個潛在的解決方案是使用鋰空氣電池，從理論上來說，與其他電池技術相比其儲電能力最強。

鋰空氣電池是“會呼吸的電池”，這意味著隨著電池能量耗盡，氧氣會被拉入電池內同鋰離子相互反應；而且當電池正在充電時，氧氣會被排出。但不幸的是，鋰空氣電池在使用時，標準的電解液(使電池能工作的材料)會在操作過程中快速分解，使電池在經歷幾次充電/放電循環(huán)之后變得無用。

NASA挑選出的科研團隊將調查設計出新奇且超穩(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)更長時間，從而使飛機大大拓展其飛行距離。

順著翼展方向的自適應機翼

要使飛機更節(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。

飛機尾翼的大小基于一個需要：在起飛或降落的過程中，如果發(fā)動機出現故障，能將飛機保持在跑道的中央。一旦飛機到達巡航高度，大機翼會增加飛機的重量和阻力，從而浪費很多燃料。

一個有潛力的解決方案是，讓飛機機翼的尾端能按需向上或向下折疊，使主垂直尾翼更小。要實現這一任務的挑戰(zhàn)在于如何最好地完成移除硬件這一力學任務，需要解決的問題包括更大程度地讓機翼緊湊且輕質。

基于衛(wèi)星通信的輕質天線

限制商用無人機系統(tǒng)發(fā)展的一個挑戰(zhàn)在于，美國國家空管系統(tǒng)要求所有此類飛機要在其地面飛行員操作的無線電通信視線范圍之內。

無線電通訊技術可在一定范圍內連接無人機和飛行員，NASA不希望通過衛(wèi)星來通信，但目前通訊設備對小型無人機來說太重。研究人員將研究輕量級、靈活的無人機，這將會減少飛機阻力、排放和燃料使用。

通過基于衛(wèi)星的追蹤系統(tǒng)來轉播命令、控制通信是一個潛在的解決方案，但涉及到的天線系統(tǒng)可能很重，而且會從飛機表面突出出來，增加阻力、油耗以及排放。

研究人員希望，通過布設一套可彎曲的天線，使基于衛(wèi)星的通訊成為可能，這套天線由輕質且非常纖薄的氣凝膠組成，能很好地與飛機外形貼合，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關鍵特征是，它能在特定方向傳輸信號，確保飛機在低空飛行時能與衛(wèi)星保持穩(wěn)定連接，同時對地面的干擾最小。

研究人員表示，盡管這些技術最后不一定管用，但也只有試過之后才知道。