未来的飞机长啥样?_《大科技》杂志_知道日报_百度知道
未来的飞机长啥样?
由于机械故障，航班又一次延误了，你早早来到候机楼，心里却无法踏实；一眼望去，狭窄的机舱中人头攒动，来回走动似乎很困难，你最好的选择只能是乖乖地坐在原位；空中的飞行漫长而无聊，你无所事事、昏然睡去，但飞机突然出现剧烈颠簸，“机震”中你感到心脏受损，不得不掏出口袋中早已备好的药片……这些都是在当代航空旅行中难以避免的事情，你对此早已感到厌倦了。令人欣慰的是，所有这些都将在未来得到改善——已经有6种颠覆传统的“新概念”飞机正在设计和研发，它们将带你飞向未来。飞天神鲸谈到设计一种带有“新概念”性质的飞机，航空公司的专业设计师们往往会受到许多束缚，他们需要把安全和成本放在第一位，因而不能充分发挥创造力。相比之下，业余的航空爱好者则不受一些条条框框的局限，比如西班牙人奥斯卡·维纳尔斯，他发挥了天马行空的想象力，用图纸设计出一款鲸鱼外形的新式飞机，并将其命名为“AWWA Sky Whale”（啊！哇！天鲸）。这是一条名副其实的“鲸鱼”，它比现今世界上最大的空中客车A380还要大许多，机舱内采用上、中、下三层设计，可以容纳755名乘客。“鲸鱼”的最顶层是头等舱，这里的乘客能够通过屋顶的“天窗”欣赏到天空的景色，当然这些天窗并不是真正的窗户，而是一些连接着摄像头的电子显示屏，它们由内置的太阳能电池板供能，随时将外边的景色显示到舱内。除了容量巨大之外，“鲸鱼”还使用了许多令人惊喜的高科技。“鲸鱼”使用的全都是铝合金、碳纤维、陶瓷和石墨烯等材料，尽可能使机身重量最小化；飞机的引擎使用最先进的油电混合动力；机翼则是主动式的活动机翼（机翼主动流过的气流，降低阻力），而且使用了能够自我修复的材料（比如一些形状记忆的合金）。总而言之，“鲸鱼”使用的所有高科技元素都是为了减少阻力、降低燃料消耗量及氮氧化物的排放量，使飞鲸成为所能想像的最平稳、最环保的飞机。当然，维尔纳斯的“鲸鱼”目前还处于“纸上谈兵”的阶段，也许这条惊艳的“鲸鱼”今后也未必造得出来，但不管怎样，它也会启发许多专业的设计师，使他们的想法不再那么的保守。无声的超音速飞机在发展的早期阶段，曾带给人们很多惊喜，而如今随着科技的进步，飞行不再有新鲜感，人们已经失去了在飞机上花费时间的耐心和兴趣，只是希望飞机可以更快，从而缩短旅途。如果要做到这一点，人们首先想到的自然是超音速客机，比如经典的协和式飞机。超音速飞机虽然很快，但是噪音很大。当飞机接近音速时，会有一股强大的阻力，使飞机产生剧烈的振荡，速度衰减，这种现象就是音障。突破音障后，由于飞机本身对空气的压缩无法迅速传播，空气的波动便逐渐在飞机的“鼻子”、“翅膀”边缘和“尾巴”处堆积起来，形成能量很高的冲击波，也就是音爆。音爆有许多坏处，可能会惊吓到野生动物、扰民甚至是破坏建筑。在2000年7月的法航空难之后，协和式飞机巨大的声响使人们无法再次信任它，导致载客量一直很少，3年之后，协和式飞机就退出了航空业。在将来，协和式飞机的继任者也许会出现，它就是“洛克希德·马丁N+2”商用超音速飞机。“N+2”由美国洛克希德·马丁航空航天公司和NASA联合设计，它可以搭载80名乘客，从纽约飞到洛杉矶仅用2.5小时。“N+2”的设计师们将研发的重点集中在噪声控制上，他们为“N+2”设计了复杂的机身曲线和锋利的翅膀，改进了飞机排气装置，并使用集成的风扇来抑制噪声。设计师们预计，“N+2”飞起来只会发出难以觉察的嘶嘶声，它将会在2025年进入航空业。“敞篷”飞机万米高空的美景，谁不爱看呢？只是飞机的窗户就那么小，想欣赏天际景观，乘客们只能去争抢靠窗的位置了。为了解决这个问题，法国的设计师们决定把墙壁去掉，让外边的景色一览无余。这种“敞篷”飞机名叫“IXION”，是法国飞机制造商Technicon Design想出来的点子。“IXION”其实并没有真的去掉墙壁，相反它去掉的是窗户，取而代之的是覆盖了机舱内壁的大面积显示屏幕，这块高分辨率、低电压的屏幕则由位于飞机顶部的太阳能电池板供电。“IXION”的原理也不难理解，它使用外置摄像头360度拍摄飞机外的风景，然后在机舱内部显示，从而实现了机身透明的视觉效果。由于机身内壁是显示屏，所以它还可以设定为其它场景，比如公园或者野外，让乘客忘却正在搭乘飞机，乘客也可以将屏幕调为互动模式，作为视像会议或电脑工作之用。毫无疑问，“IXION”将会给乘客们带来超乎想象的飞行体验，给人一种俯视天下的感觉。在2014年的美国国家公务航空协会展览中，“IXION”的创意也备受好评，赢得了外观设计类别大奖。水上客机全球的航空业正在经历爆发式增长，为了满足不断增加的市场需求，航空业不断扩建机场，以供更大的飞机起降。但是，扩建机场会对环境带来不利影响，飞机起降的噪音也会让城市居民不堪其扰，所以，机场的缺乏可能是航空业发展面临的最巨大的挑战。为了解决这一问题，伦敦帝国理工学院的研究人员将目光投向了早期的长途航空旅行方式——水上飞机。水上飞机在水面上起飞、降落和停泊，因此“下半身”则有些古怪，大都设计成船（便于水上滑行）或者浮筒（便于水面停靠）的模样。水上飞机虽然如今很少见到，但在第二次世界大战之前，它是可以在全球范围进行航空旅行的唯一方式。现在，伦敦帝国理工学院提出的水上客机仍然以上世纪40年代的水上飞机为蓝本，新式的水上客机具有一个V型船体，能在着“陆”和起飞时为飞机提供浮力和适航性能。为了减少空气阻力，水上客机还有一个“翼身融合体”的结构，船体向上倾斜无缝融入飞机宽体机翼的下侧，使整体外观更具流线型。此外，这种水上客机还采用环保的氢燃料，飞行中不会排放有害气体。如果研制成功，伦敦帝国理工学院的水上客机将会是一个空运巨无霸，它一次可搭乘2000名乘客，是A380可承载量的两倍还多。水上客机如果想要成为航空主流，也许尚需时日，因为人们还需转变传统的航空观念，有趣的是，对水上客机来说，人类面临的一大灾难——温室效应（引起的海平面上升）却成了它的一大利好。混合飞行器人们都知道NASA喜欢探索太空，但人家的全称是美国国家航空航天局，凭借其遥遥领先的技术和理念，NASA设计了许多炫酷的“新概念”飞机，除了前面提到的“洛克希德·马丁N+2”，NASA的另一个代表作就是“N3-X”。“N3-x”被称为混合飞行器，因为它混合了目前能够想到的一切可以利用的新科技成果，可以称得上是未来“新概念”飞机最终极的版本。“N3-x”外形很像美国B-2隐型轰炸机，它的机翼和机身融合在一起，配以流线型设计，可以大幅度减少飞行阻力。在动力方面，“N3-X”也要强过著名的波音777（全球最大的双引擎宽体客机），波音777通过机翼下的两个涡轮风扇发动机来提供推力，用燃油供能；而“N3-x”则采用生物燃料提供电能，使用超导电机来提供动力。超导电机由超导体材料制作，电阻为零，不会发热升温，所以体积很小、功率密度很高。这些超导电机被安置在“N3-X”的尾部和机翼的翼端，与波音777相比，这种设计不仅环保，而且在空气动力学上的效率也更高。NASA的科学家们表示，“N3-X”最快可能在20年之后研制出来。电动飞机许多“新概念”飞机虽然炫酷高大上，但距离现实还有一段距离，而欧洲空中客车公司设计的“E-Fan”（伊凡）却已经可以升空了。在2014年的英国范堡罗航空展，空中客车公司参展的是一架小型飞机“E-Fan”，其翼展为9.5米，总重量仅有550千克左右。在一众大型飞机中间，“E-Fan”显得不那么起眼，但依旧赢得了各方的关注，其原因就在于它符合未来私人飞机的发展潮流——绿色环保、安静、轻便快捷。“E-Fan”是目前世界上唯一百分百依靠电池提供动力的飞机，而且电池是可以充电续航的。由于不使用燃油，在飞行过程中，“E-Fan”不会排放废气，人们也几乎听不到任何刺耳的噪音。毫无疑问，“E-Fan”有着极大的市场潜力，对于大多数只在近距离区域活动的上班族来说，“E-fan”要比汽车、电动车要快捷，吸引力自然也大得多。然而，“E-Fan”也有类似电动汽车的缺点，那就是续航时间短，一次只能飞1个小时、搭乘两人。空中客车公司仍然很看好它，设计人员计划在2017年推出能够搭乘4人的“E-Fan”，而在更远的将来，空中客车公司甚至有着更大的“野心”，他们希望能将“E-fan”发展成能够承载90人的客机。如果这一目标能够实现，届时天空将变得熙熙攘攘，点缀着各式各样、五颜六色的私人飞机，让我们拭目以待吧！ （本文源自大科技*科学之谜2015年第12期文章）
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大招又来，未来飞行器什么样？看无人机大神酷炫展示
时间: 10:45:28&&&&来源：&&&&浏览次数:&&&&
【华北新闻网
上周，瑞士联邦理工学院教授以及「Verity Studios」工作室的创始人拉菲罗?安德烈（Raffaello
D’Andrea），在TED2016的演讲台上生动地展示了他的全系列新奇飞行器。包括有：立式垂直起落飞机（Tail-Sitter），一个小巧的、
固定翼飞机，它可以在干扰之后恢复到最佳的稳定位置，并且可以从盘旋平稳地过渡到向前和向后飞行。单螺旋机（Monospinner），世界上机械最简单
的飞行器，只有一个单独的运动部件。全向直升机（Omnicopter），世界首个能从自身方向和旋转状态切换到任何飞行方向的飞行器。还有合成蜂群
（synthetic swarm ），萤火虫般盘旋在观众头上的33只迷你飞行器。
从安德鲁最新演示的这些作品，可以看出他致力于提升自主飞行器所能够达到的极限边界。一个核心的要素是「定位」：要让功能自主化，机器人必须知道他们处于
空间的什么位置。之前，他的团队依靠的是一种外部的高精确运动捕捉系统来定位，这需要在苏黎世联邦理工学院的「飞行器舞台（Flying Machine
Arena ）」里面才能实现。这意味着在实验室之外，这个算法是很难演示的。也意味着
在动作捕捉系统的中央处理器上会存在一个「单点失误SPOF」??这是任何「安全关键系统」的高发问题点。
注：「飞行器舞台（Flying Machine Arena ）」是一个适用于自主飞行器的便携式空间，有10立方米，包括一个高精度运动捕捉系统，一个无线通讯网络，一套执行复杂算法的软件来实现预测和控制。
换一句话说，安德烈教授和他的团队现在展示了一个新开发的、双倍自动备援的定位技术，这个技术来自从他实验室剥离出来的「Verity
Studios」工作室。这给飞行器和机器人的自主性赋予了一个新的水平。在这些生动的展示中，所有的飞行器使用了机载传感器??决定飞行器的空间位置，
还有机载计算器??决定怎样运动。没有外置的摄影头。机器人接受的、仅有的遥控指令就是高级别的指令，例如「起飞」或「着陆」。
几十个飞翔在观众头顶上的飞行器的飞行动作非常自然，也是大大超过先例。在演示的飞行器里，还包括一个比较重的、高性能的四翼直升机，具有自动备援功能并且应用了「艺术范儿失效保护算法」，还有其他一些机载、非机载特性。
各类定位系统有很多失败的模式，同时也有很多种安全和备援特性，TED的组织者对此进行了广泛的讨论，并对此系统的安全可靠性给予了十足的信心。为了战胜「无人机禁止在会场使用」的法规，TED主办方甚至决定承担会场的失误赔偿。所附视频为演讲视频。
一个业余爱好者平台的起点是它有望成长为一个价值数十亿美元的产业。检验、环境监测、摄影与电影和新闻：这些是商业无人机的一些潜在应用，而其推动它们的则是全世界的研究机构所正在开发的各种功能。
例如，在空中包裹递送进入我们的社会认知之前，一队自动飞行器就曾在法国FRAC中心当着现场观众的面用1500块砖块建造了一座高达六米的塔，而几年之
后，它们又开始牵着绳子飞。用绳子系住这些飞行器，可以让它们在非常狭窄的空间中获得很高的速度和加速度。它们也能自动建造张力结构。学会的技能包括怎么
负载、怎么应对干扰以及一般地怎么与物理世界交互。
今天我们想向你展示一些我们正在努力的新项目。它们的目标是推动扩大自动飞行的应用范围。
1，Tail-Sitter ? IDSC, ETH Zurich
现在对一个自动化工作的系统而言，它必须完全知道其移动物体在空间中的位置。回到我们苏黎世联邦理工学院实验室，我们通常使用外部相机定位物体，这让我们
可以将精力专注于高动态任务的快速发展上。但是在今天的演示中你将看到，我们将使用由我们实验室的一个分支机构Verity工作室开发的新定位技术。这里
没有使用外部相机。每一架飞行器都使用机载传感器确定自己的空间位置，使用机载计算确定其应该进行的下一步动作。仅有的外部命令是比较高级的命令，比如
「起飞」和「降落」。
这就是所谓的立式起落飞机（tail-sitter）。它是一种试图兼得鱼和熊掌的飞机。和其它固定翼飞机一样，它向前飞的效率更高，远远超过直升机及类
似的变体。但又和其它的固定翼飞机不同，它能够悬停，这让它在起飞、降落和通常的动作上拥有巨大优势。很遗憾天下没有免费的午餐。立式起落飞机的一个局限
是它们容易受到阵风之类的干扰。我们正在开发一种新的控制架构和算法来解决这样的局限。我们的想法是让飞机无论如何都要恢复其原有的状态，而通过训练，还
能够随着时间提高其效能。
2，Monospinner ? IDSC, ETH Zurich
做研究时，我们经常问自己一些基本的抽象问题，以试图了解问题的核心。比如说，有一个这样的问题，受控飞行所需的最小组件数量是多少？现在，也有现实的原
因让你想要知道这类问题的答案。例如直升机，人们深切地认为它是一种带着上千个谋划着给你带来身体伤害的运动部件的机器。事实证明几十年前，熟练的飞行员
有能力遥控控制只有两个运动部件的飞机飞行：一个螺旋桨和一个尾翼。我们最近发现只要一个（运动部件）就够了。
这是一个单螺旋机（monospinner），世界上机械结构最简单的可控飞行器，几个月前才刚被发明出来。它只有一个运动部件：螺旋桨。它没有襟翼、没
有铰链、没有副翼、没有其它执行器、没有其它控制面，只有一个简单的螺旋桨。尽管机械结构很简单，但要让它稳定飞行并移动到空间中任意想要的位置，还需要
在其小小的电子大脑中下一番功夫。即便如此，它还没有立式起落飞机的复杂算法，这意味着如果想让它飞起来，我必须正确地将其扔出去。而因为我正确扔出的概
率非常低，因为大家都在看我，我们就展示一下我们昨晚拍摄的视频好了。
3， Omnicopter ? IDSC, ETH Zurich:
如果单螺旋机只算是简朴的实践，这里的机器，带有八个螺旋桨的全向直升机（omnicopter）就算是超量的实践。可以用这些盈余做些什么呢？要注意它
是高度对称的。因此，它完全不具有方向性。这给它带来非凡的能力。如果不考虑需要面对的方向和怎么旋转，它可以移动到空间中任何想要的位置。它也有其自身
的复杂性，主要的问题是在8个螺旋桨所产生气流的交互上。其中一些问题可以通过建模解决，而剩下的需要在飞行中学习。让我们来看看。
4， Fully redundant multicopter ? Verity Studios
如果飞行器要成为我们日常生活的一部分，它们需要变得非常安全可靠。这个机器事实上是两个独立的双螺旋浆飞行器。这一个想顺时针旋转。另一个想逆时针旋
转。当你将它们放到一起时，它们的行为就像是一架高性能四轴无人机。但如果出现问题??电机故障、螺旋桨故障、电子组件甚至电池组故障??这个机器仍然能
飞，尽管性能下降了。现在我们将向你们展示一下禁用其中一半时的情况。
5，Synthetic swarm, 33 small flying machines ? Verity Studios
最后的演示是融合机群（synthetic
swarm）的探索。大量自动的、协作的实体为审美表达提供了新的调色板。我们使用了商业微型四轴无人机，每一个的重量都低于一片面包，顺便一提，它们配
置了我们的定位技术和自定义算法。因为其中每一个单元都知道其在空间中的位置并能自己控制自己，那它们的数量上就不存在限制。（掌声）
希望这些演示能激发你梦想飞行器具有的新的革命性角色。比如说这里超安全的那个有志向成为百老汇的飞行灯罩。（笑声）
现实情况下很难预测新生技术的影响。而对于我们这样的人，真正的奖赏是创造的旅程和行为。它不断提醒着我们我们生活的这个宇宙是多么美妙而神奇，让有创造力的聪明的生物能以这样壮观的方式雕刻它。事实上，这项技术的巨大商业价值和经济潜力只是锦上添花而已。谢谢。
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