20年后我们怎样出行:飞机火车还是超音速飞船

20年后我们怎样出行:飞机火车还是超音速飞船(图) 大众科学

2020年的商业飞机，2050年的高超音速商用飞机，2011年的超级火车，2012年的个人飞机：你的出行有多环保？

图1：更多机体肩部空间：“N+3”代飞机一览，展示未来三代后的设计

2020年的商业飞机

瘦长条形的飞机将慢慢消逝。为了提升航空运输，美国国家宇航局希望在2020年前，飞机能比现有“777”号减少40%燃油；并在2030年，减少70%。不仅如此，它也希望这些飞机能够更加静音。为达到以上这些宏伟目标，最好也是唯一的方法是设计像隐形轰炸机而不是铅笔一样外形的商用飞机。

去年冬天，国家宇航局将1230万美元授予波音公司、洛克希德·马丁公司和其它公司去研发所谓的“N+3”代飞机——比当代先进三代的设计。先进的混合机翼体，用三角造型代替了传统的管型。国家宇航局“基础航空计划”资深技术专家托尼·斯特拉沙尔说：“这是我们唯一能想到的符合燃油和静音目标的设计。”目前，等比例模型的高速风洞测试正在进行中，预计混合机翼能在2020年前起飞。下面是它的工作原理。

图2：机体外形：三角形混合机翼能减少表面面积，表现提升20%。较少的表面面积意味着较少的阻力，相应地提高了燃油效率。

发动机

将发动机置入机身上部也能够提高燃油效率和降低噪声。因为，这可以减少阻力，吸收地面噪声。最大的挑战是如何设计进风口以使机身气流最大化。

客舱

加宽的机身将被如圆形剧场一般放置长而宽的座椅。当然，靠窗的座椅将减少，但是通过宽敞豪华的内饰设计得以补偿，如飞机休息厅、观景区域或者座椅靠背虚拟窗户。

调节系统

“混合机翼已被测试多年，”国家宇航局的托尼·斯特拉沙尔（Tony Strazisar）说到，“但是，因为调节系统的缺乏导致不稳定颤动。”波音公司的解决之道：在机翼上安装近24个调节阀，并以电脑控制系统协调操作。

其它想法：通向绿色天空的三条道路

2010年：回收

在2023年前，航空业预计有4，000架飞机退役。波音公司和空中客车公司不再将飞机当做垃圾扔进沙漠，而是正制定计划回收再利用近85%现役飞机的材料，包括从轮胎、电池到碳化纤维和液压机液体。

2012年: 播种燃油

蒙大拿州的可持续石油公司（Sustainable Oils）正在播种荠蓝 —— 一种油菜的变种 —— 可被轻易提炼成飞机燃油。荠蓝的优势是它能够在空闲的小麦地上快速生长，所以它能够被有效置入现有农业结构中。

2020年: 水藻燃油

1月，大陆航空公司（Continental ）在美国进行了第一次水藻燃油飞行试验。用一半水藻和一半燃油混合，使一架“737”飞行了90分钟。下一步是将水藻中提取一加仑油的成本从100美元减少到2美元。

图3：“协和式超音速喷射”客机之后：洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）预计在2015年研发一架能在四小时内飞越大西洋的商用飞机。

2050年的高超音速商用飞机

不要让现在贫血的航空业愚弄了你：超音速飞机将会再次升起。在2015年，继“协和式超音速喷射”客机飞行12年后，洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）预计将制成“无噪声超音速运输机”，能在4小时内将一打快车从芝加哥运到巴黎。但更加有趣的是目前正由德国太空公司DLR研发的 “Spaceliner”。由欧洲委员会资助，这架飞机时速14，000英里，能在90分钟内将50名乘客从纽约送至悉尼 —— 穿越太空。

将这艘飞船想象成航天飞机的改良版本：从发射架起飞的两层飞机。“我们并不是在讲奇异的科技，” Spaceliner的主要审查者马丁·希佩尔（Martin Sippel）说到，“我们使用现成的主意，并使它们对商业旅行产生经济意义。”这个想法是通过降低航天飞机内部的科技要求 —— 如飞行高度和速度 —— 使Spaceline变得更安全，但机票价格比现在的一等舱贵。下面是高超音速飞机的工作原理。

火箭

Spaceliner将由一架火箭帮助升空。该火箭由液态氢和氧推进器提供能量，并能够发射25次。在分离后，火箭发动机将滑翔到恢复地点，这使得清洁和再利用简单许多。马丁·希佩尔（Martin Sippel）认为重新利用需要一到三天。

发射

在七分钟内，飞机将上升62英尺，至太空的底部。在极限高度，它的最高时速能超过14，000英里 —— 与航天飞机差不多。此时，它不再继续上升，而是下沉至大气层并产生浮力，使用更少燃料前进。极限高度意味着音爆不会影响地面上的人。

发动机

航天飞机是发动机技术的大综合：机身上的三个氢氧发动机，外加固体燃料的助推器。固体燃料的能量更加集中，但成本却大致是液态氢氧的10倍。Spaceliner不需要太多推力，而且必须降低成本，所以它将只有两个发动机。

冷却系统

多次穿越密集的大气层能使机体温度达到5，400华氏度。为了保持低温，DLR的工程师们发明了多孔陶瓷砖来“出汗”。DLR下一步研究的主要部分将是精炼陶瓷术，并以更快的风洞速度进行大范围测试。

图4：火车改造：在法国的新AGV火车中，每节车厢都由自身的发动机驱动，从而解放了放置发动机的前后车厢，用以搭载更多乘客。

2011年的超级火车

为了减少二氧化碳排放和减轻机场压力，火车正在迅速替代飞机。欧洲，有着悠久的火车旅行传统，在这方面特别积极进取。2007年，欧洲委员会制定了一项旨在2020年扩大其高速铁路网至三倍的计划。火车的幕后功臣是谁？法国公司阿尔斯通（Alstom）制造了70%（650辆）时速超过186英里的火车。去年12月，该公司的下一代火车AGV完成了全速测试，并将在2011年驰骋于意大利国土上。你千万不要为飞到欧洲才能乘坐AGV感到失望，阿尔斯通目前正在磋商为筹划中的加利福尼亚州高速铁路系统提供AGV火车。

下面是AGV的几处创新点，在达到最高时速224英里的同时提供舒适、温馨的驾乘体验。

外形

AGV的空气动力系统不仅能提高速度，而且能降低噪声。在最高时速下，AGV产生的噪声与其前身TGV在时速200英里时一样—— 这绝非易事，因为噪声随着速度上升会成倍增长。这需要火车上的每个平面都光滑，从车厢间的软管到前端转向架的行李箱（也被称为车轮和车轴），以及重塑车头前椎体。

车轮

AGV有“关节”车轮系统。通常火车上的每节车厢在底下有两套轮子, 和你自己的汽车一样。但是,AGV车轮设置在两个车厢之间。因此，一辆长656英尺、载客500人的火车只需要13个车轮，而原本则是16个，同时能减轻每个轮子一吨的重量。所以，整个火车重量将比原先的减轻17%,同时降低10%-15%的阻力。

图5：一个更好的转向架：这个轮轴组合使得AGV达到最高时速224英里。

图6：发动机

图7：更少车轮，更多动力。

AGV将是首次使用永久磁铁发动机的列车，而不是此前的电气化铜线圈，来产生磁场。这个设计有效的减少了能量消耗，较小的发动机可以放置在每个车厢底部，而不是在列车两头的引擎里。这意味着14个车厢的AGV能比TGV多载20%乘客，消耗能量却减少了30%。转轴在停车时也能产生电力，从而将 8%-12%的能量回收再利用。

看看你所占的位置？

你的出行有多环保？

公共汽车比飞机环保，飞机比汽车环保。对么？并不一定。燃料消耗和尾气排放只是这个图片的一部分。正确的答案由乘客乘坐率、制造过程和其它间接的二氧化碳排放来源决定。“环境思考已经从简单的直接能量消耗过渡到全方位考量，”加州大学伯克利分校的博士后研究员米哈伊尔·切斯特（Mikhail Chester）说到。他和民用工程教授阿帕德·荷瓦斯（Arpad Horvath）创建了迄今为止最为综合的交通行业生命周期分析学——非常彻底。对于汽车，产生的二氧化碳来自于道路建设、尾气排放，甚至是乘客保险业的电脑。

图8：重新设计的双层巴士——伦敦环保、流线型的双层巴士将在2011年开始量产。

英国人将有更干净的通勤：两个改善伦敦公共交通的新设计

伦敦正在为2012年奥运会改造自身，其中一部分就是让其标志性的双层巴士回归。去年冬天，两个公司在重新设计巴士的比赛中双双胜出：福斯特合伙人公司（Foster and Partners），一家与阿斯顿·马丁公司合作的建筑公司；以及顶级巴士设计公司卡波可（Capoco）。他们的作品融合了传统的设计元素和新科技。

两个作品都运用铝、单体框架来减轻重量和减小体积，容易修理的混合动力发动机以及在刹车时能重新产生电能的飞轮。内饰上，卡波可（Capoco）公司的设计贴近传统。但是，福斯特公司的版本更加前卫。“它基本上是一个移动的建筑物，”该公司合伙人阿里斯泰·伦兹纳（Alistair Lenczner）说到，“我们希望创造一个起居室。”座椅和地面分别采用回收的皮革和木料。设计体现了起居室的感觉：下层是典型的面向前方、向下倒装的座椅，而上层是面对面的长凳。

建造商正在为生产巴士而竞标，预计在2011年开始量产。他们能全部或部分使用获胜作品的元素，但是外观较为紧要。“我们随时都有建筑比赛，”卡波可（Capoco）公司的设计总监艾伦·潘斯福德（Alan Ponsford）说，“但是，伦敦的8，000辆巴士将比任何一栋建筑影响更多人。结果应该反映这一点。”

2012年的个人飞机

图9：飞轮乐趣

汽车和商用飞机再也不是逃跑的东西。每年，美国人单单投入在交通上的就有780亿美元。同时，“友好的天空”看起来也不再友好。商业航班太拥挤以至于国家宇航局已经在运用小型地区机场进行点对点模型研究，以重新架构航空运输。将这个情况与现在的私人飞机状况作下对比。燃油经济性已经与汽车一样重要，一架轻型运动飞机新Icon A5号，将在明年开售，每加仑燃油飞行25英里。但学会飞行并不是易事。普通的飞机执照耗费1万美元，需要40个小时的训练。2004年，联邦航空部（FAA）重新定义了“轻型运动飞机”：拥有一个发动机，飞行高度不超过10，000英尺及最高时速不超过138英里。轻型运动飞机的认证只需平常一半的时间。作为回应，企业家们带着有趣的想法和选择蜂拥而至。

“绍鲁什”号（Sarus）飞机

很少城市或者郊区能满足轻型飞机都需要的长跑道。所以，你需要一辆飞行车或者气垫船来使个人飞行真正方便。其中最新奇的想法之一是“绍鲁什”号飞机（Sarus）。由波斯顿公司 AeroCopter设计的这架飞机被一个21英寸的轮子包围，它将使其飞离地面。在飞行时，轮子倾斜87度，将能量传递到后面的轮子驱动向前。发明者斯马克·雅斯尼（Siamak Yassini ）已经建造了一个等比例模型，并正在为全尺寸样机寻找资金。

Hy-Bird 太阳能飞机

法国运动型飞机制造商丽萨公司（LISA）与太阳能电池制造商Trina Solar合作发明了一架电子飞机Hy-Bird。该飞机65英尺的机翼由伸缩性太阳能板覆盖。太阳能电池能为飞机起飞和所有机内设备提供能量。在高空时，飞机的电动机将依靠安装在驾驶员座椅后的氢燃料电池工作。该公司已经建造了飞机的等比例模型，并希望在今年年底拥有一个全尺寸样机。

MS-1飞机

如果你买不起这些炫酷的飞机，你可以花6万美元买一套元件，组装一个单引擎小型飞机。但是，再加上5万美元可以使其升级：MySky公司的新“MS-1”号飞机。一辆双座、120马力单引擎小型飞机，并将在8月上市。和轻型运动飞机Icon A5一样，它容易驾驶，只须控制转向和油门，最高时速138英里。但是，它要便宜3万美元，且有更好的视野，一个巨大的泡型座舱罩能使飞行员向下和四周眺望。