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航空的未来： 绿色飞行器——全电飞机、浮空器、绿色材料飞机

5.2.2 生物燃料动力飞行器

生物燃料动力飞行器是采用生物燃料提供推进动力的飞行器。生物燃料不同于历经千百万年变迁形成的化石燃料，而是利用栽培植物经加工提炼而成的可再生绿色燃料。经数年实验比对，生物航空燃料与传统航空燃料在性能上并无太大差异，但其燃烧排放的污染物相对较少，且在制取环节更为环保。生物燃料动力飞行器即将全面投入使用，一些民航公司已经开始推广生物航空燃料。生物燃料动力飞行器推广的主要问题是生物燃料的制造成本仍然偏高，而且生物燃料的原料作物种植需要较大的面积，势必影响粮食作物的生产。一旦这些问题得到解决，生物燃料动力飞行器有望成为最先投入航线运营的绿色飞行器。

 

图5-5 使用50%生物燃料完成飞越大西洋试验的湾流G450飞机 

航空的未来： 绿色飞行器——全电飞机、浮空器、绿色材料飞机

5.2.3 可控核动力飞机

核动力是一种比较清洁的绿色能源。可控核动力飞行器使用核能作为推进动力，其优点是运营过程中无碳排放，理论运营成本较低，在相当长的时间内无需添加燃料，适合长距离长航时飞行。可控核动力飞机概念最早出现在冷战时期，当时美苏希望利用该技术开发能长时间留空的战略轰炸机，美国曾试验过利用机载核反应堆产生的高温蒸汽驱动涡轮发动机产生推力，但未取得成功。核动力飞机获得核能的最有价值方式是核聚变，用于飞行器则还需解决小型化问题。未来，清洁的可控核聚变能源有望成为最重要的绿色能源。

 

图5-6 美国冷战时期开发的航空用核反应堆

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5.2.4 微波动力飞机

微波动力飞机的原理是：地面上的微波站将能量很高的微波发射给空中的飞机，飞机将其天线所接收的微波再转换成电能，驱动飞机前行。理论上，只要在地面上每隔100～200km设一个微波发送站，就可以使微波飞机不用着陆、不用加油，持续不断地飞行；利用微波供给的能量，飞机可以在距离地面20km的高度连续飞行3个月。1987年9月，第一架高空无人驾驶微波飞机在加拿大渥太华郊外的机场成功地飞上蓝天。美国、日本也研制了以微波为动力的飞机。

这种飞机不带燃料，只有一台直流电动机和微波接收整流装置。起飞时由蓄电池为电动机供电，待升高到100米后，电池关闭，地面上的微波发生器通过锅形天线发射微波，飞机上的特殊天线，把接收到的微波变成直流电，驱动由电动机带动的飞机螺旋桨，这样飞机就能靠微波作动力飞行了。微波动力飞机重量轻，工作效率高，由于飞机所需的电能是由地面供给，因此它在空中飞行可不受燃料的限制。除军事用途外，在民用方面，可用于农业监测、天气预报等，还可以装上载荷设备，作为空中通信中继站等使用；是一种有前途的绿色动力航空器。

5.3 新布局绿色航空器

研究和应用新的气动布局，以获得优秀的气动性能和效率，是航空器设计师永远的追求。现代航空器一个多世纪的发展，经历了从多翼到单翼、平直翼到后掠翼、螺旋桨到喷气式、低速、亚声速到超声速的发展历程，形成了固定翼和旋翼两种样式以及机翼-机身-尾翼的经典布局。进入21世纪，为适应多元化需求和绿色航空的发展，迫切需要探索新的气动布局，以求从设计源头上提高效率和效益，实现在完成同样任务的过程中减少能源消耗。各种全新布局绿色航空器的研究和开发方兴未艾，呈现勃勃生机，并预示着新的突破性发展。主要热点有：智能可变形飞行器、飞翼、C翼飞机、盒式布局飞机、大载重浮升式航空器等。

5.3.1 智能可变形飞行器

智能可变形飞行器是指飞行器在飞行过程中可以改变外形，以适应宽广变化的飞行环境，完成各种任务使命，有效实施控制，改善飞行性能。它与现有飞行器离散改变后掠角或控制面角度的传统方法不同，通过变体技术实现外形的分布连续式变形。智能可变形飞行器可以针对飞行各阶段的不同要求，改变机翼面积与形状，如在巡航阶段增大机翼的展长或改变弯度，以达到提高飞机升阻比，增大航程的目的；或利用发动机进气道和尾喷口变形技术，在保持同样航程的情况下，达成降低噪声、节省燃油的效果。美国DAPAR提出可变形飞行器（柔性机翼）的“门槛”指标为：机翼的质量不超过传统机翼，机翼展弦比变化200%，机翼面积变化50%，5度的机翼扭转角和20度的后掠角变化。智能可变形飞行器具有低噪声、节能、易驾驶、更安全等特点，可明显提高经济性、环保性与安全性。

5.3.2 飞翼

飞翼或称全翼机，是一种没有尾翼且机身主要部分隐藏在厚厚的机翼内的航空器。飞翼在气动布局上采用的是翼身融合设计，飞翼的平坦且有翼剖面形状的机身，能产生部分升力。由于没有传统的独立机身和尾翼等产生阻力而无升力贡献的部分，飞翼的飞行阻力能显著降低，燃料经济性明显提高。概念设计研究表明，翼身融合体外形可获得比常规外形更好的性能，巡航升阻比可从传统外形的19提高至23。480座的翼身融合体外形与同量级的传统外形相比，最大起飞重量可减少18%，每座位燃油消耗可减少32%，具有良好的环保性。

 

图5-7 X-48B试验型飞翼飞行器

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5.3.3 C翼飞机

由于各国提出的超大型飞翼设计方案中的翼展都在280～350英尺之间，均超过了目前民航机场对飞机翼展262英尺的限制，美国斯坦福大学的克鲁教授提出了C翼解决方案。其基本设想是，将飞翼的翼尖部分向上折起，形成垂直机翼；垂直机翼的顶端再向内折，形成水平机翼，这样可有效解决飞翼设计与现有机场的相容问题。波音公司在美国航空航天局的支持下，以B777机身为基础，根据克鲁教授的设想，提出了C翼飞机方案。C翼飞机方案保持了飞翼设计中的各种优点，能产生有利的气动耦合，飞行阻力保持在一个可接受的水平，有效解决了600～700座级飞机与现有机场的相容问题，将推动飞翼方案早日实用化。

5.3.4 盒式布局飞机

盒式布局通常用后掠端板将后掠下单翼的翼尖或翼中与前掠上单翼的翼尖连接起来，机翼相连呈盒状布局形式。盒式布局与连翼布局十分相似，唯一不同的是，连翼布局是将后掠的下单翼与前掠的上单翼直接连接起来，而盒式布局两者之间必须通过端板相连接，这样可以减少两翼直接连接所带来的不利干扰。盒式布局飞机的优点是：一，明显减少巡航诱导阻力，大大提高飞机的升阻比，进而节省燃油，增大航程；二，改善飞机的结构强度，防止颤振；三，可以在两个机翼上安装多个操纵面，提高飞机的操控性能。盒式布局在民航运输机、长航时无人机、轻型通用飞机、预警机、加油机等类型飞机中都有应用前景，盒式布局飞机有望成为一种环境友好型航空器。

5.3.5 大载重浮升式航空器

大载重浮升式运输航空器是一种性能介于飞艇和飞机之间、基于静升力和动升力原理相结合的新概念飞行器，或称“混合式飞艇”(Hybird Airship)。它融合了飞艇的静升力原理和飞机的动升力原理，有可能既获得飞艇经济性好、载重量大、航程长的优点，又能得到飞机速度快、易操纵的优点。这种飞行器拥有存储大量轻于空气的气体囊腔，可以产生较大的升力，又拥有旋翼或固定翼∕推进器，可以实现大载重量、长距离运输，且消耗的燃料较少，更利于保护环境，是一种有应用前景的绿色航空器。

 

图5-8 大型新概念载重飞艇Skyhook

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来源：航空之家