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现在正在融合的技术将在15年或20年内完全改变我们的生活

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-05-25

  电脑接管驾驶舱航空航天领域的未来愿景更直接相关。试着想象一下50年后的一个看似合理的世界,那里没有空中和太空飞行器。你不能。飞行几乎定义了科幻小说的前瞻性类型。将人类置于没有空中和太空旅行的世界中的未来故事实际上被称为“幻想”。航空航天为我们带来了飞行常客,barnstormer,宇航员和ace,马赫数,时差,音障和炸弹。没有它,就没有月球射击,试飞员,机场,通信卫星或隐身。航空航天技术对数十亿人的战争,文化,语言,知识和日常业务的影响是无法估量的;它对未来的影响,几乎无法估量。

  对于一个工程领域来说相当令人兴奋的东西,直到奥维尔赖特在1903年的某一天离地面飞行了12秒,并且不存在。六十六年后,阿波罗11号飙升到了月球。通过这一切,专家和梦想家似乎总是花更多的时间来考虑明天的飞行器,而不是今天的飞行器。因此,当设计新闻要求11名航空航天专家对未来的空中和太空飞行器采取行动时,他们并不害羞。

  “现在正在融合的技术将在15年或20年内完全改变我们的生活,甚至在30年内几乎不可能看到它们,”Scaled Composites总裁Burt Rutan说。但他和其他航空航天专家就是这么做的 - 甚至更多。我们要求他们改装他们的精神塔罗牌并设想未来50年的航空航天领域,从商业到军事,通用航空到太空旅行。这就是他们所看到的。

  通用航空的黄金岁月。个人飞机真的从未辜负过他们的计费。很多人都想到,到现在为止,我们都会在乔治杰森(George Jetson)式的空中摩托车上飞来飞去,这些空中摩托车坍塌成公文包。尽管这样的设想可能永远不会成真,“我认为,通用航空有可能成为在21技术发展的主导航空为主题的现实可能性ST世纪,”史蒂芬乌鸦,航空航天学教授,机械工程在说大学亚利桑那州。他预计,到2020年,消费者飞机的产量将增加到每年10万辆。这比两年前建造的928架还要多。

  责任问题推动了此前的大部分下滑。但堪萨斯大学航空航天工程的Ackers杰出教授Jan Roskam看到了别的东西。“我们仍在制造针对飞行员的非常用户不友好的飞机,”他解释说,“而且大多数人都不是飞行员。”罗斯卡姆表示,要取得成功,制造商将不得不制造出高度自动化的飞机,以至于只有驾驶汽车技能的人才能驾驶它们。

  这种自动化意味着计算机能这种力量的重点将放在电子,航空电子设备,控制装置和仪器上。从物理上讲,未来20年的通用航空(GA)飞机应该与今天的高科技,复合材料,家用飞机有所不同。“结构和配置不是飞机设计的主要驱动因素,就像他们不是黑猩猩和人类之间的巨大差异一样,”克劳说。“不同的是大脑。”

  在驾驶舱内,工程师计划通过GPS导航和电信突破来集中这种不断增长的计算机脑力,从而创造出基本上自行飞行的飞机。“飞机将成为神奇的地毯,只有司机做出的最高级决定,”乌鸦设想。

  Rutan补充道,“在10年内,对于一架富矿的大小和价格的飞机,你将得到一架加压的飞机,并以400节的速度从海岸飞到海岸。”这种飞机的先驱是Rutan的个人飞机Boomerang,它能以260节的速度飞越全国。在外面不寻常 - 它有两个发动机,一个安装在机身的机头,另一个安装在左翼机舱的支腿上 - 飞机的真正秘密在于驾驶舱。在那里,Rutan取代了几乎所有的仪器显示器Apple MacintoshPowerBook电脑。

  PowerBook运行一个名为RAPMAS的程序,由Rutan的儿子Jeff编写。它通过RS-232与由嵌入式PC控制的屏蔽,加固数据采集系统进行通信。显示发动机状态,控制面位置,起落架,高度,空速,燃油油位等参数,并且 - 有一天 - GPS移动地图导航全部显示在Mac屏幕上,以3 Hz更新。“在一年中,我可以用能力提高两倍且成本更低的一款替换[PowerBook],”Rutan说他的驾驶舱灵活性。

  革命性的设计。堪萨斯州联合设计项目的成员采用了更为激进的方法来控制,展示,导航和通信功能,以获得他们屡获殊荣的参加NASA1995年通用航空设计竞赛的机会。该团队由来自堪萨斯大学,堪萨斯州立大学和威奇托州立大学的教师和学生组成,他们提出了Shrike,这是一个由三个先进的单引擎飞机(两个,四个和六个乘客)组成的未来主义家族。由相对不熟练的操作员驾驶,而不是飞行员驾驶。

  该设计的全自动飞行控制系统使用四个GPS传感器 - 每个机翼一个,一个在机身前端,一个在尾部 - 提供有关飞机位置和方向的信息。结合放置在机场的本地化GPS标记信标,它允许全自动的滑行,起飞和着陆。操作员通过两个LCD触摸屏和三维听觉语音识别和语音合成来选择路线并进行通信。人工智能和决策辅助编程将飞行员的工作转变为飞行监督员的工作。

  “10年后,我们所知道的仪表板将被淘汰,”鲁坦说。不是看象形文字和电机驱动的针头 - 或那些针头的玻璃驾驶舱表示 - 非常低成本的处理将使合成孔径雷达能够看到我们现在因云层而无法看到的实际地形。

  - 星际车,由Steven Crow构思的“变压器”车辆。它由三个模块组成 - 乘客舱,道路模块和天空模块 - 可以组合成一辆好车或一架好飞机。驾驶员可以在两者之间快速切换,先进的GPS导航和计算机化的飞行控制 - 类似于Shrikes - 使得即使在有限的能见度下,非技术人员也可以飞行。

  - 3X Jet,前LearFan执行官Richard Bacon的心血结晶。这架飞机有两种不同的发动机 - 一种是针对高效巡航性能而设计的,并针对起飞辅助和紧急情况进行了优化。在飞行的大部分时间里,飞机只在第一台发动机上飞行,通过减少燃油消耗和维护,可以节省20%的运营成本。

  发动机需要。推进提供了一个成熟的创新通用航空领域。“对于Boomerang来说,我经历了两次Lycoming螺旋桨装置,”Rutan说。“我把磁铁,真空泵,起动机和交流发电机扔掉了,然后用更好的汽车把东西放进去。”

  有些人在这种沮丧中看到了来自汽车发动机的完整动力装置的机会。替代方案包括:涡轮增压旋转发动机 - 例如为两个较小型号的Shrike指定的 - 或者是一种小型,廉价的燃气涡轮发动机,如果一些工程师决定设计一个。

  噪音也将推动发动机设计。“在15到20年的范围内,有人会解决电力存储问题,”罗斯卡姆认为,从而为轻型飞机开启了电力供应的可能性。AeroVironment的首席执行官Paul MacCready看到了降噪方面的巨大工作。今天,他的工程师们正在开展一项秘密项目,为警察创造一种类似直升机的车辆 - 可能是一辆旋翼机 - 几乎不会产生噪音。

  未来的战士。问麦克唐纳道格拉斯幻影工程原型中心副总裁杰里恩尼斯,他看到了军用飞机的未来,他有一个单词的答案:空间。“这是新的军事制高点,”他说。

  空间是收集,联网和传递所有重要战术信息的地方。从车辆的角度来看,走出大气层可以让设计师摆脱自莱特兄弟以来背负着他们的限制。恩尼斯说:“在大气层中以超过2.5马赫的速度行驶并且负担得起它是非常困难的。”

  在接下来的十年或二十年里,恩尼斯设想一种快速反应,深冲击的车辆,不出意外,与麦克唐纳道格拉斯的垂直起飞和着陆原型DC-X不同。它将是一个单级到轨道(SSTO)的车辆,功能很像可重复使用的弹道导弹,从太空部署动能武器或其他有效载荷。使用差分GPS,这样的车辆可以在发射后40分钟飞越地球上的任何地方,然后在距离期望的着陆点几英尺内着陆。“

  一个有趣的选择采用Black Horse形式,这是美国空军上尉Mitchell Burnside Clapp提出的跨大气太空飞机概念。他建议用火箭动力,战斗机大小的车辆开发,采用现有技术从跑道起飞,从空中加油机加油,然后以5000磅的有效载荷冲入太空。燃料由JP-5(喷气燃料)和90%+纯H2O2组成,两者都不需要低温储存。任务周转时间不到一天,也许是几个小时。经过充分资助并于今天开始,跨大气层的太空飞机可以在大约7到10年内每周运行一次。

  回到地球上,预计大气战斗机将稳步演变为无人驾驶车辆。计算机智能继续增加,而人体的G限制保持不变。此外,驾驶舱和生命支持系统占军用飞机开发成本的大部分。罗斯卡姆估计,从15 - 20年开始,50%的空战将使用无人驾驶机器完成。

  填补15 - 20年的空缺将是传统飞机(F-22和F-18 E / F)以及联合攻击战斗机(JSF)。作为替代F-16,A-10,A-6,F-18 C / D和F-14的多用途战斗机,JSF也可以设计成特殊的短距起飞/垂直着陆版本来取代AV-8B。今年11月,由波音公司,洛克希德马丁公司和麦克唐纳道格拉斯公司领导的三个团队中的两个将获得合同,以建立他们设计的竞争原型。

  JSF强调超越性能的可承受性,并且除了在驾驶舱设计,电子设备和系统集成等领域之外,它不会突破性能。飞行员可能会戴上一个新的超级头盔,结合了HUD和语音命令。

  25年后,神经网络计算机的无人战斗机将应运而生。它们可能是高超音速的,它们的神经网络不仅可以让它们学习和适应各种飞行和环境条件,还可以让它们适应动态的战斗场景。McDonnell Douglas目前正在开发一种12至15英尺长的RPV,名为Phantom X,旨在测试神经网络飞行控制系统。

  商业运输。美国宇航局估计,到2013年,商用航空旅行的增加将需要1万亿美元的新喷气式飞机运输,到2015年,超音速飞机市场的销售额可能达到2000亿美元。

  一个特别感兴趣的领域是超级巨型喷气式飞机或超大型飞机(VLA)。针对五到七年的市场准入,VLA将携带大约600-800人,是目前MD-11的两倍多。一些非常可行的概念涉及更大版本的波音747,它们具有全长双层和更大的机翼。但技术上更有趣的是麦克唐纳道格拉斯开发的混合翼体(BWB)概念。

  BWB看起来很像一架巨大的B-2轰炸机。麦克唐纳道格拉斯的高级宽体项目经理大卫墨菲说:“它来自VLA研究,这些研究具有如此深度的翅膀,人们可以站在其中。”机翼中心部分将有多达800名乘客。墨菲表示,BWB配置可以提高三倍的阻力,从而提高燃油消耗。抓到了吗?开发成本为50-10亿美元。

  超音速和高超音速车辆面临着更加艰巨的障碍。他们需要新的可变循环发动机,起飞时像涡轮风扇一样,然后在巡航速度下更换为冲压喷射器。超音速层流翼 - 可能使用吸力 - 可以将直接运行成本(DOC)降低7-10%。轻量化复合材料的广泛使用可以使燃料燃烧再减少20%。但是,为了让这种情况发生,堪萨斯大学的罗斯卡姆说,复合材料必须在冰雹和闪电击中损坏方面得到显着改善。可能的解决办法?金属基复合材料。

  但是,广泛的高速旅行带来了巨大的障碍。它要花多少钱?工程师如何克服音爆问题以及容易被忽视的因素,例如为高超音速飞行保持乘客可接受的加速和减速率?鲁坦的解决方案:忘记超级和超音速飞行,直接进入太空。他说:“燃烧化石燃料将飞机拖入大气层4000英里将在10年内被认为是过去的事情。”

  罗斯卡姆说,驾驶舱将变得越来越自动化,直到大约25年后,船上将不会有任何飞行员。利用GPS可以实现全自动起飞,巡航和着陆。驱动程序是成本和不断改进的计算机。今天,飞行员约占客机DOC的三分之一,车辆开发成本的20-25%用于设计驾驶舱。罗斯卡姆说:“副驾驶将在10年内完成;然后我们可能只需要一个系统监视器;然后10年后,没有人,”

  比赛进入太空。更好的电子产品,计算机和通信将对运载火箭产生重大影响。轨道科学公司(OSC)高级项目高级副总裁Antonio Elias表示,使用GPS将在短短几年内将轨道插入精度从现在的约15公里提高到2-3公里。“这可能会让你取消卫星的精确轨道机动系统。”

  在短期内,过氧化氢和煤油(如黑马航天飞机所建议的)可能成为首选的火箭燃料。“这些并不能保持世界纪录的特定冲动,但它们很容易便宜两到三倍,”伊莱亚斯说。二十五年后,他看到化学领域的进一步改进,导致更密集,更强大的燃料。从现在起50年后,工程师可能有能力在分子水平上构建先进材料。“这些对于创建单级到轨道(SSTO)至关重要,

  可重复使用的运载火箭的未来部分取决于两个联合NASA和行业计划X-33和X-34的成功。最近,OSC收到了美国航空航天局制造X-34的合同,这是一种空中发射的小型可重复使用运载火箭(RLV),旨在将发射卫星(和1,000磅)的发射成本降低到低轨道,并证明关键RLV技术,例如极快的周转时间和先进的热保护系统。

  7月,美国宇航局授予洛克希德马丁臭鼬工厂制造X-33的计划。它是SSTO的1/2规模原型,旨在降低私营企业进入RLV业务的技术风险。它是一种起重车,它使用Rocketdyne的创新型气动发动机将其提升至15马赫,然后返回地球并在跑道上降落。

  在10到15年内,两个X计划都应该产生后续的全尺寸车辆。X-34的继任者将用于每周(或更频繁)发射小型低轨道有效载荷。X-33后裔将向计划中的国际空间站运送25,000磅。

  私营企业不会闲着。随着阿波罗之后的太空商业服务梦想如此遥远,一群有影响力的航空航天专家和爱好者创造了X奖。它的目的是:向该组织提供价值500万至1000万美元的奖金,该组织首先制造并飞行一辆可重复使用的车辆,该车辆至少需要两名乘客进行亚轨道行程,前往100公里的高地。“离开大气层很容易做,而且应该在20年前向公众开放,”鲁坦说。“十年后,我们将有太空之旅......

  Rutan认为X奖可以在短短三年内赢得,两年后正常运营。车辆不一定是高科技。相反,它将是如此强大,“你可以在几乎任何方向重新进入大气层,这只是一个更加艰难的旅程。”Elias认为10到20年是一个更现实的目标,并且他没有看到轨道乐趣旅行发生了四五十年。

  太空推进。探索性的太空飞行器正在被口头禅驱动,“做得更多,更多,更少钱。”一个例子是计划于1998年发射的新千年DS-1。它将前往参观小行星和彗星,但该车的真正目标是展示其离子发动机 - 首先是宇宙飞船。“离子推进将改变JPL飞行行星任务的方式,”喷气推进实验室先进推进技术主管John Brophy说。

  太阳能电池为7千克发动机提供2.5千瓦的能量,仅喷出90毫牛顿(0.02磅力)的推力。该发动机的优势在于其高效率(99%),以及只需83千克氙气即可保持8,000小时的全推力。

  它的工作原理是从重(131 amu)氙原子上剥离电子,然后通过磁场将产生的离子加速到非常高的速度。相比之下,Shuttle的主发动机排气口以4,500米/秒的速度排出,而DS-1的离子发动机则以33,000米/秒的速度爆炸。“一个主带小行星任务需要六到七年的化学火箭,”Brophy说。“使用离子推进器,需要不到三年的时间。”

  十五年后,太空飞行器可能由磁悬浮动力推进器驱动。莫斯科航空研究所为JPL建造的原型使用锂作为推进剂,需要100千瓦的电力 - 计划将其扩展到500千瓦。“它的体积与新千禧离子发动机的尺寸相同,但功率却提高了40倍,”Brophy说。

  在四五十年内,反物质引擎可能会将探险者带到行星之外。Brophy说,只需要毫克的反物质 - 比地球上每年产生的更多 - 将需要为火星进行为期100天的飞行巡航。宾夕法尼亚州立大学的研究人员设想了一种混合发动机,其中反物质引发裂变反应,引发推力的聚变反应。最近,他们创建了一个便携式Penning Trap - 一个容纳反质子的瓶子 - 将反物质从瑞士CERN带到美国。

  其他可能的未来。显然,研究和展示可能涉及航空和太空飞行未来的数千个项目是不可能的。这里提出的许多想法可能永远不会成功。其他未提及的人可能最终会发挥巨大作用。50年后最大的技术影响可能来自突然的突破 - 就像涡轮喷气发动机 - 在意想不到的方向上推出航空航天设计。这是预测的风险。

  MacCready说,“查尔斯林德伯格飞越大西洋是20世纪20年代最重要的事件之一,不是因为它在技术上是一架伟大的飞机,而是因为它让人们思考。”我们希望本文能为读者做同样的事情。

  “副驾驶将在10年内完成;那么也许我们将只有一个系统监视器,然后10年后,没有人。”

  “戈达德教授,他在克拉克学院的主席和史密森学会的辩护,并不知道行动与反作用的关系,以及需要有更好的东西而不是真空反对......”

  - 1920年纽约时报社论批评罗伯特戈达德提出的使用火箭进行太空旅行的建议

  “第一个欧洲,然后是全球,将通过飞行联系起来,各国如此结合在一起,他们将成长为邻国。这种对空气的征服最终将证明是人类最伟大和最光荣的胜利。铁路为国家做了什么,航空公司将为世界做些什么。“

  “飞行的方法是直接上升......这样的机器(直升机)永远不会与飞机竞争,虽然它将有专门的用途,并且在这些中它将超过飞机。你可以降落的事实你的前门是你无法有效承载重物的原因。“

  “不要告诉我那个人不属于那里。男人属于他想去的地方 - 当他到达那里时他会做得很好。”

  喷气发动机的未来打开了轴承。他们旋转速度更快,运行更​​热,使用寿命更长,重量更轻的要求只是下一代涡轮机中滚珠和滚子的一些相互矛盾的设计标准。

  新罕布什尔州滚珠轴承(NHBB)总工程师Phil Parmenter说:“这么多是由重量驱动的。”“如果我们能够从轴承和发动机中获得更高的速度,那么一切都会变得很小。”承受更高温度的能力服务于同一主人。更高的耐热性意味着更少的润滑和更小的热交换器。

  Parmenter说,实现这一目标意味着更严格的轴承公差。“这是让轴承从100万DN上升到今天的水平。”生产轴承现在达到220万DN(rpmx孔径,mm),300万DN轴承在测试发动机中旋转。“十年后我可以看到400万DN在线,”他说。要到达那里,跑道完成必须是今天的两倍。

  陶瓷滚动元件也将发挥重要作用。目前在磨床中发现,一旦工程师找到可靠的检查方法,陶瓷球就会被放置在喷气发动机中。“[轴承]寿命随着陶瓷滚动元件呈指数增长,”Parmenter补充道。25年来,他看到陶瓷环也被使用,可能用碳纤维加固。

  有一天,磁力轴承可能会进入涡轮机。目前重型和复杂,它们提供了能够调节涡轮轴的定心以修剪风扇叶片尖端间隙的潜在优点。五十年了,谁知道呢?2046年背后的概念可能尚未发明。

  五十年后,工程师而非计算机仍将设计飞机和航天器。然而,他们将依赖于先进的专家系统来帮助构思想法,并且非常依赖于CAE系统,这些系统将实体建模与分析和制造的各个方面完全集成。该系统将帮助工程师快速迭代多种设计可能性,以找到最佳解决方案,麦克唐纳道格拉斯幻影工程原型中心副总裁杰里恩尼斯说。

  最近,KS的Lawrence的设计分析和研究公司(DAR)介绍了这种系统的前身。它被称为GA CAD,它使工程师能够快速发展通用航空飞机的初步配置,从重量测量到详细的性能计算。

  设计师更可能是通才。“每个人都会更加意识到整个系统,并负责更大的一块,”Orbital Sciences公司高级项目高级副总裁Antonio Elias解释说。他认为从一代工程师到下一代工程师沟通面临最艰巨的挑战不断增加的技术知识。计算机也将在这里提供帮助,作为大量历史信息的存储库和分配器,以帮助防止设计者发明已经发明的。

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