航空技术、火箭发动机与可持续航空前景

诺丁汉大学航天工程师Simone Paternostro访谈录

Jane: 采访者（ACS艾尔环球代表）

Simone:受访者（诺丁汉大学航天研究员兼大学教师）

J:Simone，你好！我们希望了解更多关于您、您在大学的职责以及您专门研究领域的信息。
S:我在罗马大学取得硕士学位之后，继续研究了航天飞行动力学、任务分析与导航系统，这些是我们的主要研究领域。

J: 你在这一领域研究了多长时间？
S: 已经有很长时间了。我从2005年开始，在罗马大学获得学士学位和双硕士学位。学士学位是航天工程、第一个硕士学位是航天工程、第二个硕士学位是空间运输系统。加上在诺丁汉大学研究了三年，现在我研究这一领域已超过12年。

J: 您能否告诉我们您感兴趣的活动，例如特别喜欢的电影或歌曲？
S: 作为一名航天爱好者，我最喜欢的电影是《阿波罗13号》，您应该不会觉得意外。这部电影讲述了航天任务的艰难险阻，宇航员必须想尽一切办法在严酷环境中生存。

J: 我们在预备调查中发现：在航空业前景方面，最近有很多关于电子设备（航空电子学）的论调。在您看来，电子设备是否将会在未来航空业中发挥重要作用？
S: 电子设备已经在航空业发挥重要作用，可以肯定未来更是如此。目前有很多研究中心和企业都在尝试提高电子设备的不同性能，例如效率、有效性、功率以及灵活性等重要性能。这些提高可能进一步提高电子设备性能。民航班机已在电子设备加入电子元件，其中包括导航系统、通讯系统、监测系统、飞行控制系统、防撞机系统、以及所谓的“黑匣子”。这些都是新兴的发展。

诺丁汉大学，航天技术
举例来说，我在诺丁汉大学参与了“创新项目”。“创新”是指融合各种新兴航天技术。这是欧洲方面资助Marie Curie的博士项目，起因是需要一个综合方法用于开发和利用航空航天领域的各种技术。本项研究的主要目标是促进主流研究。更重要的是，本项研究也支持这些技术的开发和验证。换句话说，我们的目标是证明可以融合各项技术并加以改进。

关于创新项目的更多信息
本项目包括13位来自世界各地的研究员和博士研究生。我们每个人都专注于航空领域创新相关的具体系统概念，例如推进器、机身、地面操作与导航。

诺丁汉大学正在进行的相关项目
例如，一位同事正在研究飞机控制表面的主动控制策略，从而提高飞机平衡。这项研究有助于减少大约25%的飞机阻力。因此，飞机飞行将会变得更平稳，同时能够减少燃料消耗和二氧化碳排放量。这是我们在诺丁汉大学正在开发和试验新技术的一个示例，这也是未来航空技术所用电子设备的另一个类型示例。

未来飞机设计

J: 您是否认为未来飞机设计将出现突破性改变？
S: 是的，目前有很多机构正在研究新概念飞机。其中包括美国航空航天局、波音公司和空中客车公司。我认为这些机构将是未来航空业的主角。已知飞机设计出现的主要改变是混合翼身。这是一项综合设计：飞机的机翼和机身之间没有明显区别。这项综合设计拥有一个超越常规飞机设计的优势，因为其机身形状本身可以产生空气浮力。此外，阻力和重量减小意味着新设计可以提高燃料效率和减少二氧化碳排放。

未来飞机设计改变面临的挑战
面临的主要挑战来自结构方面，因为混合翼身设计的飞机难以制造，但飞机制造商正在研究解决这些问题。解决办法可能在于使用碳纤维复合材料，这种材料可以用于制造飞机的全部结构。例如空中客车公司和波音公司已分别开发了自己的机型，包括空客A350XWB飞机和波音787，50%的机身结构采用复合材料制造。空中客车宣称：与上代飞机相比，空客A350XWB的制造成本、燃料消耗和二氧化碳排放量均降低25%。

J: 在您谈到飞机结构时，您是否认为整架飞机可以采用复合材料制造？
S: 是的，复合材料更轻，因此可以减少飞机的总重量。但复合材料成形是一个非常复杂的过程。目前，飞机制造商只能在一些部分使用复合材料，而不是整架飞机。

喷气发动机发展与火箭发动机

云霄塔与超燃冲压发动机项目
据我所知，英国发动机反应公司正在研制一架名为“云霄塔”的新飞机。该飞机综合采用不同类型的发动机，包括火箭发动机和标准喷气发动机。目前已知正在开发的发动机属于一种超音速冲压喷气发动机。标准喷气发动机与超燃冲压发动机之间的差异是使用压缩机和涡轮机（超音速冲压喷气发动机并未使用这些部件），而这些部件需要在超高速运行时才能发挥其功能。这是主要问题所在，也是之前无人使用这些部件的原因。这类发动机需要达到超音速之后才开始运行。如果无法启动这类发动机，飞机就不能飞行。

云霄塔飞机目标
云霄塔飞机似乎是尝试融合两项技术或两个发动机类型，以便飞机能够通过标准喷气发动机起动，在达到一定海拔高度和速度之后切换到另一类发动机。我认为云霄塔飞机还配备了一个类似于火箭发动机的装置。该飞机的目标是到达更高海拔高度（大气中的空气更稀薄），从而能够达到更高速度，不会出现阻力方面的问题。这将意味着能够实现更快速飞行和减少飞行时间。据说将来该飞机从伦敦飞往悉尼可能只需4个小时，而这条航线当前的飞行时间为24小时，因此这将是一个巨大优势。

J: 如果我们能够在有生之年见证这架飞机的诞生，无疑是人生一大幸事。
S: 是的，类似于我们在协和式飞机退役之前的感受。协和式飞机能够实现超声速飞行，可以在极短时间内从伦敦飞往纽约。遗憾的是，协和式飞机票价高昂，而且该飞机已经退役。

航空业可持续性与前景

J: 这个新项目听起来确实吸引人。说到可持续性问题，您是否认为未来航空业将会融入更环保的程序和技术
S: 很多人担心民航班机速度提高会带来更大的二氧化碳排放。现在的民航班机票价远比以前便宜，因此更多人选择飞机出行。我们所了解的二氧化碳排放量源于民航当局公布的数据，其总量占全球排放量的15%，这是一个非常高的数值。当务之急是保持这一数值不再增长。按照民航当局预计，航空业的二氧化碳排放量将会在10-15年内增长至30%。国际民航组织正在尝试对此进行控制，而且正在努力通过一项决议解决二氧化碳排放问题。

2021年行业主管部门倡议——国际航空碳抵消和减排计划
国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA）将于2021年开始生效。该决议的主要目标是稳定碳排放和尽可能减少碳排放。但该计划必须在国际上获得所有航空公司同意，因此仍是一项正在进行的计划。实际执行这些规则仍有难度，因为这是一项自愿参与计划。该计划将取决于各国是否愿意遵守此项决议。据我所知，欧洲国家愿意遵守此项决议，但正如我之前所说，有些航空公司已经开始努力提高飞机性能，以求减少碳排放。

可持续航空业备选方案
其中一个选择是减少燃料消耗量，这反过来可以减少燃料花费的成本。另外还可以开发新燃料技术，例如使用生物燃料或无燃料推进的飞机（如使用太阳能或氢气），但这些技术需要花费大量时间才能取得成果。

J: 对于采用无燃料飞机作为更高可持续性航空的备选方案，您是否认为这些可行概念能够变成现实？
S: 我认为可以，因为有很多飞机制造商正在尝试研制电力推进发动机。赛斯纳飞行器公司、空中客车公司与阿古斯塔·韦斯特兰公司已经研制出了小型样机。美国航空航天局也正在研制太阳能飞机。还有阳光动力号飞机，飞行员已成功驾驶该飞机完成环球飞行。

J: 是的，我对此有所耳闻，这是一架出色设计的飞机
S: 确实如此，该飞机有很长的机翼，安装了大量太阳能电池板提供飞行动力。该飞机目前只能乘坐1人，因此不具备实用性。这是电力推进飞机的主要问题之一：需要使用太阳能电池板，而太阳能电池板的燃料效率比极低，导致无法获得大量能源。上述情况也适用于电池。以空中客车使用的电池为例，飞机需要使用大量电池，但是电池重量大，而且无法持久使用。因此飞机电池无法维持整个航程，或只能选择驾驶单人飞机。我认为这些技术仍需要多年改进才能投入实际使用。

诺丁汉大学航空技术学院的电动发动机项目
诺丁汉大学航空技术学院的研究重点是电动飞机。研究员的研究方向是减少二氧化碳排放影响和碳足迹。我的一位同事正在研制可安装在飞机起落架的电动发动机。该发动机能够维持飞机离开登机门并移动到飞机跑道，这个过程不需要启动飞机发动机。这小部分航程可以减少燃料消耗，尤其是对于飞机延迟起飞或必须在飞机跑道等待起飞（保持发动机运转）的情况。同时还可以减少二氧化碳排放。因此，我们希望设计一个安装在飞机起落架或可拆卸的发动机，作为飞机往返于登机门与飞机跑道之间的推动力。这是正在研究的一个电力系统示例。

带动航空业前景和亚轨道飞行的主要因素

J: 这一话题与我们刚才讨论的问题有关，但就这些新技术而言，您认为未来航空业的最大影响因素是什么？在您刚才提到观点中，您认为哪一个会产生最大影响？
S: 带动航空业前景的最大因素是融合不同的技术与设备。正如我之前提到的云霄塔飞机，航空业前景可能是亚轨道飞行。亚轨道飞行涉及到极短时间的高速飞行，因此能够在数小时内到达地球的另一端。

太空旅行
太空旅行具有强大的吸引力。综合这一吸引力和之前提到的各项技术发展，航空工业可能出现一个新概念——亚轨道飞行。

亚轨道飞行
亚轨道飞行可以开通远距离城市之间的航班和减少飞行时间。但这是一项适用于长途航程的技术，短途航程不需要使用。未来，两者将合二为一。对于地区之间的短途航程，可以选择标准飞机（混合翼身设计的新机型）；但对于长途航程，可以选择新技术飞机，即类似于协和式飞机但更先进的飞机。这就是我希望看到的未来。

J: 除了我们刚才的讨论，未来航空技术还有哪些重要领域？
另一位同事正在研究起飞优化项目，目的是优化起飞之前的各项程序。他开发了一个优化时间与飞机从登机门到飞机跑道之间道路或途径的运算系统，同时考虑了机场周围另一架飞机的位置。这一系统有助于减少延迟，因为该系统在飞行员需要从登机门向飞机跑道移动时为其提供具体信息，而不需要等待空中交通管制员批准。这一算法还可以减少空中交通管制员的交通量，因为该系统将融入飞机的电子设备。这是我们正在研究的另一项技术，目的是提高机场和飞机本身的效率。

无人机与“飞行汽车”

J: 我不知道您对私人航空（比如私人飞机）有什么看法，但您是否了解飞机制造商正在进行哪些方面的研究，或者您是否了解这方面有什么进展？
S:我看过一些公司开发新概念飞机的视频。我在这里没有将这些飞机称为“私人飞机”，而是小型无人飞行器（UAV）。以无人飞行器和无人机的设计概念为例，将这一设计概念应用到汽车之后，能够从汽车配置转化到飞机配置，使用固定机翼并配备推进器发动机。这是一个已完成测试的样机。

空中客车公司未来项目：飞行汽车与无人飞行器
我认为空中客车公司正在研制一个更大型系统：汽车主要部分可从车轮分离。汽车设有四个转轮，使其更高转化成无人飞行器并能够起飞，车轮可以自由收起和复原。我在空中客车公司的一个宣传视频中看到这个设计概念，但主要问题是如何控制这些飞行汽车。如果普及这类汽车，并能够从任何地点起飞，这将需要专业驾驶执照。此外还需要安全的防撞车系统，飞行汽车交通需要进行道路和天空管制，遵行规定的路线、高速公路或空中特定路径。毫无疑问这是正在考虑的问题，但是从机场管制和执照授与的角度来看，这将需要大量投资。有时候技术开发可以迅速完成，但是解决管制问题的组织机构无法跟上技术发展步伐。对于一家公司而言，开发一个没有监管的系统，其难度不言而喻。

J: 如果让您用一个词语描述航空业前景，您希望使用哪个词语？
S: 我希望使用的词语是“更环保”。

J: 最后一个问题，您对英国脱欧可能影响英国航空业有什么看法？
S: 我也不太肯定。我希望不会影响英国的航空业，因为即使英国退出欧盟，实际上仍属于欧洲的一部分。欧洲与英国相互依赖，因此我希望我们的合作将继续下去。

航天工程师Simone Paternostro通过采访透露了一些关于航空业前景的重要见解。通过混合翼身设计制造更高燃料效率的飞机和减少二氧化碳排放，更环保的未来可能即将到来。航空领域的另一项重要发展是使用碳纤维复合材料，美国航空航天局、波音公司和空中客车公司在新兴航空技术和飞机设计方面一路领先。可持续航空的其他发展包括研究电动发动机和太阳能动力飞机，例如阳光动力号。英国反应发动机公司正在研究云霄塔飞机项目的火箭发动机与亚轨道飞行。亚轨道飞行可以大幅度减少国际航班时间，伦敦至悉尼的飞行时间可能减少到4个小时，而不是目前的23个小时。