20年後我們怎樣出行:飛機火車還是超音速飛船

20年後我們怎樣出行:飛機火車還是超音速飛船(圖) 大眾科學

2020年的商業飛機，2050年的高超音速商用飛機，2011年的超級火車，2012年的個人飛機：你的出行有多環保？

圖1：更多機體肩部空間：“N+3”代飛機一覽，展示未來三代後的設計

2020年的商業飛機

瘦長條形的飛機將慢慢消逝。為了提升航空運輸，美國國家宇航局希望在2020年前，飛機能比現有“777”號減少40%燃油；並在2030年，減少70%。不僅如此，它也希望這些飛機能夠更加靜音。為達到以上這些宏偉目標，最好也是唯一的方法是設計像隱形轟炸機而不是鉛筆一樣外形的商用飛機。

去年冬天，國家宇航局將1230萬美元授予波音公司、洛克希德·馬丁公司和其它公司去研發所謂的“N+3”代飛機——比當代先進三代的設計。先進的混合機翼體，用三角造型代替了傳統的管型。國家宇航局“基礎航空計劃”資深技術專家托尼·斯特拉沙爾說：“這是我們唯一能想到的符合燃油和靜音目標的設計。”目前，等比例模型的高速風洞測試正在進行中，預計混合機翼能在2020年前起飛。下麵是它的工作原理。

圖2：機體外形：三角形混合機翼能減少表麵麵積，表現提升20%。較少的表麵麵積意味著較少的阻力，相應地提高了燃油效率。

發動機

將發動機置入機身上部也能夠提高燃油效率和降低噪聲。因為，這可以減少阻力，吸收地麵噪聲。最大的挑戰是如何設計進風口以使機身氣流最大化。

客艙

加寬的機身將被如圓形劇場一般放置長而寬的座椅。當然，靠窗的座椅將減少，但是通過寬敞豪華的內飾設計得以補償，如飛機休息廳、觀景區域或者座椅靠背虛擬窗戶。

調節係統

“混合機翼已被測試多年，”國家宇航局的托尼·斯特拉沙爾（Tony Strazisar）說到，“但是，因為調節係統的缺乏導致不穩定顫動。”波音公司的解決之道：在機翼上安裝近24個調節閥，並以電腦控製係統協調操作。

其它想法：通向綠色天空的三條道路

2010年：回收

在2023年前，航空業預計有4，000架飛機退役。波音公司和空中客車公司不再將飛機當做垃圾扔進沙漠，而是正製定計劃回收再利用近85%現役飛機的材料，包括從輪胎、電池到碳化纖維和液壓機液體。

2012年: 播種燃油

蒙大拿州的可持續石油公司（Sustainable Oils）正在播種薺藍 —— 一種油菜的變種 —— 可被輕易提煉成飛機燃油。薺藍的優勢是它能夠在空閑的小麥地上快速生長，所以它能夠被有效置入現有農業結構中。

2020年: 水藻燃油

1月，大陸航空公司（Continental ）在美國進行了第一次水藻燃油飛行試驗。用一半水藻和一半燃油混合，使一架“737”飛行了90分鍾。下一步是將水藻中提取一加侖油的成本從100美元減少到2美元。

圖3：“協和式超音速噴射”客機之後：洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）預計在2015年研發一架能在四小時內飛越大西洋的商用飛機。

2050年的高超音速商用飛機

不要讓現在貧血的航空業愚弄了你：超音速飛機將會再次升起。在2015年，繼“協和式超音速噴射”客機飛行12年後，洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）預計將製成“無噪聲超音速運輸機”，能在4小時內將一打快車從芝加哥運到巴黎。但更加有趣的是目前正由德國太空公司DLR研發的 “Spaceliner”。由歐洲委員會資助，這架飛機時速14，000英裏，能在90分鍾內將50名乘客從紐約送至悉尼 —— 穿越太空。

將這艘飛船想象成航天飛機的改良版本：從發射架起飛的兩層飛機。“我們並不是在講奇異的科技，” Spaceliner的主要審查者馬丁·希佩爾（Martin Sippel）說到，“我們使用現成的主意，並使它們對商業旅行產生經濟意義。”這個想法是通過降低航天飛機內部的科技要求 —— 如飛行高度和速度 —— 使Spaceline變得更安全，但機票價格比現在的一等艙貴。下麵是高超音速飛機的工作原理。

火箭

Spaceliner將由一架火箭幫助升空。該火箭由液態氫和氧推進器提供能量，並能夠發射25次。在分離後，火箭發動機將滑翔到恢複地點，這使得清潔和再利用簡單許多。馬丁·希佩爾（Martin Sippel）認為重新利用需要一到三天。

發射

在七分鍾內，飛機將上升62英尺，至太空的底部。在極限高度，它的最高時速能超過14，000英裏 —— 與航天飛機差不多。此時，它不再繼續上升，而是下沉至大氣層並產生浮力，使用更少燃料前進。極限高度意味著音爆不會影響地麵上的人。

發動機

航天飛機是發動機技術的大綜合：機身上的三個氫氧發動機，外加固體燃料的助推器。固體燃料的能量更加集中，但成本卻大致是液態氫氧的10倍。Spaceliner不需要太多推力，而且必須降低成本，所以它將隻有兩個發動機。

冷卻係統

多次穿越密集的大氣層能使機體溫度達到5，400華氏度。為了保持低溫，DLR的工程師們發明了多孔陶瓷磚來“出汗”。DLR下一步研究的主要部分將是精煉陶瓷術，並以更快的風洞速度進行大範圍測試。

圖4：火車改造：在法國的新AGV火車中，每節車廂都由自身的發動機驅動，從而解放了放置發動機的前後車廂，用以搭載更多乘客。

2011年的超級火車

為了減少二氧化碳排放和減輕機場壓力，火車正在迅速替代飛機。歐洲，有著悠久的火車旅行傳統，在這方麵特別積極進取。2007年，歐洲委員會製定了一項旨在2020年擴大其高速鐵路網至三倍的計劃。火車的幕後功臣是誰？法國公司阿爾斯通（Alstom）製造了70%（650輛）時速超過186英裏的火車。去年12月，該公司的下一代火車AGV完成了全速測試，並將在2011年馳騁於意大利國土上。你千萬不要為飛到歐洲才能乘坐AGV感到失望，阿爾斯通目前正在磋商為籌劃中的加利福尼亞州高速鐵路係統提供AGV火車。

下麵是AGV的幾處創新點，在達到最高時速224英裏的同時提供舒適、溫馨的駕乘體驗。

外形

AGV的空氣動力係統不僅能提高速度，而且能降低噪聲。在最高時速下，AGV產生的噪聲與其前身TGV在時速200英裏時一樣—— 這絕非易事，因為噪聲隨著速度上升會成倍增長。這需要火車上的每個平麵都光滑，從車廂間的軟管到前端轉向架的行李箱（也被稱為車輪和車軸），以及重塑車頭前椎體。

車輪

AGV有“關節”車輪係統。通常火車上的每節車廂在底下有兩套輪子, 和你自己的汽車一樣。但是,AGV車輪設置在兩個車廂之間。因此，一輛長656英尺、載客500人的火車隻需要13個車輪，而原本則是16個，同時能減輕每個輪子一噸的重量。所以，整個火車重量將比原先的減輕17%,同時降低10%-15%的阻力。

圖5：一個更好的轉向架：這個輪軸組合使得AGV達到最高時速224英裏。

圖6：發動機

圖7：更少車輪，更多動力。

AGV將是首次使用永久磁鐵發動機的列車，而不是此前的電氣化銅線圈，來產生磁場。這個設計有效的減少了能量消耗，較小的發動機可以放置在每個車廂底部，而不是在列車兩頭的引擎裏。這意味著14個車廂的AGV能比TGV多載20%乘客，消耗能量卻減少了30%。轉軸在停車時也能產生電力，從而將 8%-12%的能量回收再利用。

看看你所占的位置？

你的出行有多環保？

公共汽車比飛機環保，飛機比汽車環保。對麽？並不一定。燃料消耗和尾氣排放隻是這個圖片的一部分。正確的答案由乘客乘坐率、製造過程和其它間接的二氧化碳排放來源決定。“環境思考已經從簡單的直接能量消耗過渡到全方位考量，”加州大學伯克利分校的博士後研究員米哈伊爾·切斯特（Mikhail Chester）說到。他和民用工程教授阿帕德·荷瓦斯（Arpad Horvath）創建了迄今為止最為綜合的交通行業生命周期分析學——非常徹底。對於汽車，產生的二氧化碳來自於道路建設、尾氣排放，甚至是乘客保險業的電腦。

圖8：重新設計的雙層巴士——倫敦環保、流線型的雙層巴士將在2011年開始量產。

英國人將有更幹淨的通勤：兩個改善倫敦公共交通的新設計

倫敦正在為2012年奧運會改造自身，其中一部分就是讓其標誌性的雙層巴士回歸。去年冬天，兩個公司在重新設計巴士的比賽中雙雙勝出：福斯特合夥人公司（Foster and Partners），一家與阿斯頓·馬丁公司合作的建築公司；以及頂級巴士設計公司卡波可（Capoco）。他們的作品融合了傳統的設計元素和新科技。

兩個作品都運用鋁、單體框架來減輕重量和減小體積，容易修理的混合動力發動機以及在刹車時能重新產生電能的飛輪。內飾上，卡波可（Capoco）公司的設計貼近傳統。但是，福斯特公司的版本更加前衛。“它基本上是一個移動的建築物，”該公司合夥人阿裏斯泰·倫茲納（Alistair Lenczner）說到，“我們希望創造一個起居室。”座椅和地麵分別采用回收的皮革和木料。設計體現了起居室的感覺：下層是典型的麵向前方、向下倒裝的座椅，而上層是麵對麵的長凳。

建造商正在為生產巴士而競標，預計在2011年開始量產。他們能全部或部分使用獲勝作品的元素，但是外觀較為緊要。“我們隨時都有建築比賽，”卡波可（Capoco）公司的設計總監艾倫·潘斯福德（Alan Ponsford）說，“但是，倫敦的8，000輛巴士將比任何一棟建築影響更多人。結果應該反映這一點。”

2012年的個人飛機

圖9：飛輪樂趣

汽車和商用飛機再也不是逃跑的東西。每年，美國人單單投入在交通上的就有780億美元。同時，“友好的天空”看起來也不再友好。商業航班太擁擠以至於國家宇航局已經在運用小型地區機場進行點對點模型研究，以重新架構航空運輸。將這個情況與現在的私人飛機狀況作下對比。燃油經濟性已經與汽車一樣重要，一架輕型運動飛機新Icon A5號，將在明年開售，每加侖燃油飛行25英裏。但學會飛行並不是易事。普通的飛機執照耗費1萬美元，需要40個小時的訓練。2004年，聯邦航空部（FAA）重新定義了“輕型運動飛機”：擁有一個發動機，飛行高度不超過10，000英尺及最高時速不超過138英裏。輕型運動飛機的認證隻需平常一半的時間。作為回應，企業家們帶著有趣的想法和選擇蜂擁而至。

“紹魯什”號（Sarus）飛機

很少城市或者郊區能滿足輕型飛機都需要的長跑道。所以，你需要一輛飛行車或者氣墊船來使個人飛行真正方便。其中最新奇的想法之一是“紹魯什”號飛機（Sarus）。由波斯頓公司 AeroCopter設計的這架飛機被一個21英寸的輪子包圍，它將使其飛離地麵。在飛行時，輪子傾斜87度，將能量傳遞到後麵的輪子驅動向前。發明者斯馬克·雅斯尼（Siamak Yassini ）已經建造了一個等比例模型，並正在為全尺寸樣機尋找資金。

Hy-Bird 太陽能飛機

法國運動型飛機製造商麗薩公司（LISA）與太陽能電池製造商Trina Solar合作發明了一架電子飛機Hy-Bird。該飛機65英尺的機翼由伸縮性太陽能板覆蓋。太陽能電池能為飛機起飛和所有機內設備提供能量。在高空時，飛機的電動機將依靠安裝在駕駛員座椅後的氫燃料電池工作。該公司已經建造了飛機的等比例模型，並希望在今年年底擁有一個全尺寸樣機。

MS-1飛機

如果你買不起這些炫酷的飛機，你可以花6萬美元買一套元件，組裝一個單引擎小型飛機。但是，再加上5萬美元可以使其升級：MySky公司的新“MS-1”號飛機。一輛雙座、120馬力單引擎小型飛機，並將在8月上市。和輕型運動飛機Icon A5一樣，它容易駕駛，隻須控製轉向和油門，最高時速138英裏。但是，它要便宜3萬美元，且有更好的視野，一個巨大的泡型座艙罩能使飛行員向下和四周眺望。