NASA綠色航天計(jì)劃：3D打印制造新型電動(dòng)機(jī)

寂靜天花板

美國國家航空航天局(NASA)最近挑選了5項(xiàng)與航空航天有關(guān)的技術(shù)進(jìn)行大力發(fā)展，這五個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別來自NASA位于弗吉尼亞、加利福尼亞和俄亥俄州的航天中心。其實(shí)，這些技術(shù)對于NASA來說只是“開胃菜”，是其目前正在進(jìn)行的更野心勃勃的“集中航空解決方案(CAS)”項(xiàng)目的一部分，后者將持續(xù)兩年時(shí)間。

這5個(gè)項(xiàng)目分別是：研究一種新型燃料電池；在3D打印技術(shù)的幫助下增加電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出；使用鋰空氣電池存儲能量；探究新的力學(xué)原理以改變飛行中的機(jī)翼形狀；使用輕質(zhì)氣凝膠制造一款新天線。

NASA“變革性航空概念項(xiàng)目(TACP)”負(fù)責(zé)人道格·羅恩說：“這5項(xiàng)極富創(chuàng)意的想法，再加上我們在2015年精挑細(xì)選出的6大創(chuàng)新性設(shè)想，將有助于我們解決目前航空領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)。”這些挑戰(zhàn)包括減少燃料使用、減少航天業(yè)對環(huán)境的影響、降低機(jī)場周圍噪音等。隨著飛機(jī)數(shù)量不斷增加，這些挑戰(zhàn)也越來越嚴(yán)峻。

超高能低排放的新燃料電池

NASA的研究人員正在深入研究一款新型燃料電池，讓氫氣與氧氣結(jié)合發(fā)電，用于驅(qū)動(dòng)全電動(dòng)或混合動(dòng)力的電動(dòng)飛機(jī)。

燃料電池并不是一個(gè)新東西，而且與航空航天領(lǐng)域淵源頗深。燃料電池的歷史可以追溯到1838年，當(dāng)時(shí)德國化學(xué)家提出了燃料電池的理論，但其真正實(shí)現(xiàn)商用化則是1955年的事情。美國通用電氣工程師造出了實(shí)用化的氫燃料電池，隨即通用電氣就和NASA及麥克唐納飛行器公司發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用于“雙子星計(jì)劃(Project Gemini)”，這是燃料電池首次在商業(yè)上應(yīng)用，也讓美國成功打破了前蘇聯(lián)的航天飛行紀(jì)錄，推動(dòng)了燃料電池的商業(yè)化。在上世紀(jì)60年代的幾次太空任務(wù)中，燃料電池用于驅(qū)動(dòng)登月探險(xiǎn)車及供應(yīng)宇航員飲用水，均證明了它的實(shí)用性。

一般而言，氫氣和氧氣以超冷液體的形式存儲在飛機(jī)上，需要裝槽過程復(fù)雜且成本高昂，對小型單引擎飛機(jī)來說，搭載這些氫氣和氧氣并不實(shí)際。

最新項(xiàng)目將研究一種燃料電池系統(tǒng)，能從標(biāo)準(zhǔn)的以碳?xì)錇橹鞯暮娇掌椭刑崛〕鰵錃猓瑥目諝庵刑崛〕鲅鯕猓又鴮錃夂脱鯕饣旌蟻戆l(fā)電。這一過程的排放產(chǎn)物也會(huì)通過一個(gè)渦輪機(jī)，從而增加能量產(chǎn)出。

與燃料在標(biāo)準(zhǔn)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的能量相比，這一燃料電池的能效更高，因此能節(jié)省燃料并降低排放。而且，目前機(jī)場也支持這樣一套系統(tǒng)，因?yàn)樗恍枰侔惭b任何昂貴的新設(shè)施或其他配套設(shè)備。

3D打印造出的新型電動(dòng)機(jī)

NASA希望在接下來10年內(nèi)，竭盡全力達(dá)到與綠色航天有關(guān)的目標(biāo)，在此背景下，全電動(dòng)和混合電動(dòng)飛機(jī)有望“大顯身手”。此外，科學(xué)家們也希望改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量密度。

他們提出的解決方案是利用3D打印技術(shù)制造電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的零件，得到的零件會(huì)更輕甚至更小，與其他材料組裝在一起，從而制造出擁有更高能量密度的發(fā)動(dòng)機(jī)。

據(jù)NASA官網(wǎng)報(bào)道，NASA去年12月對一臺采用多個(gè)3D打印復(fù)雜部件的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)成功進(jìn)行了測試，采用低溫液氫和液氧燃料，產(chǎn)生了2萬磅的推力，這也意味著向?qū)崿F(xiàn)全3D打印的高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)邁進(jìn)了一步。

研究人員表示，3D打印技術(shù)將在未來太空探索中發(fā)揮更大作用，未來的計(jì)劃包括對采用液氧和甲烷推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試，這是用于火星登陸器的重要推進(jìn)劑，因?yàn)榛鹦巧峡赡艽嬖诩淄楹脱鯕狻?

用于電動(dòng)飛機(jī)的鋰空氣電池

廣泛采用電動(dòng)飛機(jī)面臨一大障礙：需要將足夠多的能量存儲在電池內(nèi)，即使對短途飛行的小飛機(jī)來說也不例外。一個(gè)潛在的解決方案是使用鋰空氣電池，從理論上來說，與其他電池技術(shù)相比其儲電能力最強(qiáng)。

鋰空氣電池是“會(huì)呼吸的電池”，這意味著隨著電池能量耗盡，氧氣會(huì)被拉入電池內(nèi)同鋰離子相互反應(yīng)；而且當(dāng)電池正在充電時(shí)，氧氣會(huì)被排出。但不幸的是，鋰空氣電池在使用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的電解液(使電池能工作的材料)會(huì)在操作過程中快速分解，使電池在經(jīng)歷幾次充電/放電循環(huán)之后變得無用。

NASA挑選出的科研團(tuán)隊(duì)將調(diào)查設(shè)計(jì)出新奇且超穩(wěn)定電解液的可行性。如果電解液不容易分解，電池就能持續(xù)更長時(shí)間，從而使飛機(jī)大大拓展其飛行距離。

順著翼展方向的自適應(yīng)機(jī)翼

要使飛機(jī)更節(jié)能，并且降低排放和噪音，有效方法是縮減垂直尾翼的大小。

飛機(jī)尾翼的大小基于一個(gè)需要：在起飛或降落的過程中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，能將飛機(jī)保持在跑道的中央。一旦飛機(jī)到達(dá)巡航高度，大機(jī)翼會(huì)增加飛機(jī)的重量和阻力，從而浪費(fèi)很多燃料。

一個(gè)有潛力的解決方案是，讓飛機(jī)機(jī)翼的尾端能按需向上或向下折疊，使主垂直尾翼更小。要實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的挑戰(zhàn)在于如何最好地完成移除硬件這一力學(xué)任務(wù)，需要解決的問題包括更大程度地讓機(jī)翼緊湊且輕質(zhì)。

基于衛(wèi)星通信的輕質(zhì)天線

限制商用無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)挑戰(zhàn)在于，美國國家空管系統(tǒng)要求所有此類飛機(jī)要在其地面飛行員操作的無線電通信視線范圍之內(nèi)。

無線電通訊技術(shù)可在一定范圍內(nèi)連接無人機(jī)和飛行員，NASA不希望通過衛(wèi)星來通信，但目前通訊設(shè)備對小型無人機(jī)來說太重。研究人員將研究輕量級、靈活的無人機(jī)，這將會(huì)減少飛機(jī)阻力、排放和燃料使用。

通過基于衛(wèi)星的追蹤系統(tǒng)來轉(zhuǎn)播命令、控制通信是一個(gè)潛在的解決方案，但涉及到的天線系統(tǒng)可能很重，而且會(huì)從飛機(jī)表面突出出來，增加阻力、油耗以及排放。

研究人員希望，通過布設(shè)一套可彎曲的天線，使基于衛(wèi)星的通訊成為可能，這套天線由輕質(zhì)且非常纖薄的氣凝膠組成，能很好地與飛機(jī)外形貼合，從而減少阻力，降低油耗和排放。

這款正在研究中的天線的一個(gè)關(guān)鍵特征是，它能在特定方向傳輸信號，確保飛機(jī)在低空飛行時(shí)能與衛(wèi)星保持穩(wěn)定連接，同時(shí)對地面的干擾最小。

研究人員表示，盡管這些技術(shù)最后不一定管用，但也只有試過之后才知道。