MIT设计的飞机

无尾翼飞机

　　据英国《经济学家》报道，乘飞机旅行的需求并没有下降，但利润却令投资者泄气。到2014年，以飞机为主要出行工具的乘客人数有望从2009年的25亿人次增加至33亿人次。原因之一是机票越来越便宜：事实上，过去40年间，机票已降价60%。

　　然而，令航空公司忧心忡忡的除了要在保持低票价的同时扩大机队规模以增加载客量以外，他们也需设法让航空业变得更环保。航空业虽然总体规模不大，但也是促使全球变暖的因素之一，各种交通工具排放的二氧化碳中，航空业占12%。即使不考虑环境因素，燃料也是航空公司最大的开销之一。因此，航空公司亟须节能减排。

　　“改头换面”才能与时俱进

　　毫无疑问，现代飞机的效率比以前要高很多。1967年，第一架波音737客机能搭乘100名乘客飞行2775公里，而最新型号的波音737-800则能在搭载多一倍乘客、飞行多一倍航程的同时，将燃料消耗减少23%。更高效的涡轮风扇发动机，更轻的机体结构，空气动力学方面的各种改进以及飞行管理系统的发展共同促成了这一进步。不过飞机还是老样子：雪茄状的机身、大大的尾巴、两只翅膀，每只翅膀上吊着一个豆荚形的发动机。很多飞机设计师认为，对传统形状的飞机来说，其节能降耗的潜力已然用尽，只有让飞机“改头换面”才能进一步大幅削减燃料消耗。

　　过去几年中，已经有设计师提出了一些激进的全新设计，但还没有一种真正成为现实。例如，外形像巨大翅膀一样的飞翼式飞机的效率可能更高，但目前还没有真正在航线上运营。首先，这种飞机的乘客座位和电影院中的座位一样，让大多数乘客远离窗户和门。安全规范要求所有乘客在90秒内从一侧的安全出口逃离，这在飞翼式飞机上很难实现。另外，机场设施也要随着飞机的设计发生改变，现有的机舱门、行李架、服务设施都不能适应新要求；并且，单就舒适度而言，这种飞机一次突兀的急拉（升）侧（翻）转会让处于飞机边缘的乘客感到更加眩晕。

　　现实的选择

　　尽管存在诸多限制，美国麻省理工学院（MIT）和英国帝国理工学院的两个科研小组仍然推出了既能满足业界实际需求、又能将燃料消耗减少一半的飞机设计，其设计方案在很大程度上依赖现有技术。

　　麻省理工学院的马克·德莱拉正在该学院的风洞实验室设计D系列的飞机，如果一架波音737-800飞机能变形为D系列中的一种，那么，在同样尺寸、航线和载客量下，D8.1版飞机（也采用金属铝制成）的能耗将减少49%；D8.5（与D8.1外形类似，但采用2035年才可能被广泛使用的复合材料制成）的能耗将减少71%。

　　德莱拉的D系列飞机与现有飞机大不相同，它不采用单个圆柱形的机身，而是将两个圆柱体的部分结合在一起作为机身，以提供额外的升力；它的机头向上倾斜，这也会进一步提供升力。基于这两个设计，这种飞机机翼的厚度将有所减少，从而可以减轻飞机的重量。

　　3个发动机安装在飞机的机尾，与机身齐平。德莱拉说，这样的设计有很多优势，最主要的是使机尾变小。传统飞机拥有高的、垂直的机尾，主要用于补偿当装在机翼下的发动机出现故障时造成的偏航；而D系列飞机将发动机装在机尾（这种设计思路在上世纪50年代很流行，当时，法国南方航空公司的卡拉维尔飞机就采用了这种设计思路，但随后，这种设计理念被其他大飞机摒弃），这意味着偏航程度更小，因此只需要一个小垂尾。D系列的双垂尾总重量比波音737的单垂尾还要轻70%。

　　机身尾部附面层吹除设计能使进入发动机的气流更加平滑。摩擦阻力能降低靠近机身的气流的速度，发动机吸入低速气流时，能更好地利用燃料来产生同样的推力。然而，附面层吹除设计也会造成进入发动机的气流紊乱。空气离机身越远，其移动速度越快，可能给发动机零件造成不必要的压力。

　　飞机发动机制造商普拉特惠特尼公司也参与了麻省理工学院的这个项目，他们尝试着通过重新设计和加固喷气发动机中的部件来克服空气给发动机零件造成压力这个问题。解决办法之一是降低飞行速度，结果，D8.1版飞机可以以0.72马赫（音速的0.7倍）的速度飞行；D8.5的速度为0.74马赫。德莱拉表示，尽管上述两个D系列飞机的速度都不及波音737-800的速度（0.79马赫），但是，D系列的宽机身可以弥补这一缺陷。与圆柱形机身的737相比，D系列机身多了一个额外的过道，这将大大提高人们上下飞机的速度，因此，在短途不换乘航行中，其航行速度还是会快过737。

　　无尾翼设计

　　英国帝国理工学院的瓦拉瓦斯·瑟费德斯也提出了一些设计方案，其核心是通过减轻飞机的重量来减少所需推力，从而节约燃料。其中的一个设计方案有一对安装在尾部、但在机翼上方的喷气式发动机。这种飞机根本没有尾翼。

　　瑟费德斯解释道，过去，飞机没有尾翼很难飞行，但现在，情况发生了变化。机械飞行控制系统已经被主动式电脑控制飞行系统所取代，这种系统使用计算机来响应飞行员的操作指令，使飞行员的操作更安全更高效。因此，取消水平尾翼和垂直尾翼并非一个激进的想法。采用了计算机的飞机控制系统能将所需要的信号组合在一起，使机翼的副翼、襟翼和其他控制面协同运动，起到水平尾翼和垂直尾翼的作用。

　　瑟费德斯在模拟器上测试了其设计方案并进行了模拟飞行，结果良好。

　　同时，改善机翼上方的气流也至关重要。由于紊流会产生阻力，因此，层流（很平滑的气流）比紊流更利于飞行。完全符合空气动力学的机翼，从其前缘直到后缘只有层流。但大多机翼并不那么完美，在某个阶段，空气会从平流变换到紊流。因此，大约需要燃烧一半燃料来克服紊流边界层产生的阻力，以便让飞机保持水平航行。

　　理解层流变为紊流的原因需要高超的数学水平和强大的计算能力。但如果瑟费德斯和同事菲利普·霍尔以及他的团队能理解层流变紊流的细节，他们就能设计出形状从头到尾维持层流的机翼，以减少燃料消耗。

　　帝国理工学院的另一位工程师多米尼克·特瑞兹则认为应该更进一步。他梦想着设计出一种自主性更强的机翼，而不单单是重新设计机翼形状。他的想法也许可以通过改变机翼表面的形状，或使用能适当开启和关闭保持层流的孔、缝系统来实现。另外，在某些情形下（例如减速时），飞行员反而可能希望产生紊流。自主性更强的机翼设计也使飞机能取消襟翼，进一步减轻重量。

　　航空业希望减少和控制制造飞机的风险，因此，引入这些变化将是个艰难的过程，但其在效率方面的收益却值得去冒险。飞翼式飞机可能不会实现，但没有尾翼、襟翼和发动机吊舱的飞机可能很快会出现在你家附近的机场。