在巡航高度,飞机会释放出稳定的氮氧化物(NOx)排放到大气中,这些化学物质会在大气中残留,产生臭氧和细微颗粒。氮氧化物是空气污染的主要来源,与哮喘、呼吸系统疾病和心血管疾病有关。工程师们提出了一种飞机推进的概念,可以消除航空中95%的NOx排放。

这个概念的灵感来自于地面交通工具中的排放控制系统。如今,许多重型柴油卡车都安装了燃烧后排放控制系统,以减少NOx生成的引擎。研究人员现在提出了一种类似的带有电扭转的航空设计。

今天的飞机是由固定在机翼下的喷气发动机推动的。每个引擎都装有一个燃气涡轮,当涡轮的废气从后面流出时,燃气涡轮为螺旋桨提供动力,使飞机通过空气。由于这种配置,不可能使用排放控制装置,因为它们会干扰发动机产生的推力。

在新的混合电力或涡轮电力设计中,飞机的动力来源仍将是传统的燃气涡轮机,但它将集成在飞机的货舱中。与直接为螺旋桨或风扇提供动力不同,燃气轮机将驱动同样在舱内的发电机发电,然后再为飞机安装在机翼上的电动螺旋桨或风扇提供电力。燃气轮机排放的废气将被送入一个排放控制系统,大致类似于柴油汽车的排放控制系统,该系统将在将废气排放到大气之前对其进行净化。

在飞机电气化被认真考虑之前,它可能已经实现这样的概念,作为一个附加到喷气式发动机的后面。但这种设计会扼杀喷气发动机产生的任何推力流,有效地使设计搁浅。这个新概念通过将产生推力的螺旋桨或风扇与发电的燃气轮机分开来克服了这一限制。螺旋桨或风扇将直接由发电机提供动力,而发电机将由燃气轮机提供动力。燃气轮机排出的废气将被送入一个排放控制系统,该系统可以折叠起来,在飞机的货舱里,与产生推力的螺旋桨完全隔离。

该混合电力系统的大部分——燃气轮机、发电机和排放控制系统——可以安装在飞机的腹部,这在许多商用飞机中都有足够的空间。如果将这种混合电力系统应用于波音737或空客a320之类的飞机上,额外的重量将需要增加约0.6%的燃料才能让飞机飞行。这将比提议的全电动飞机可行许多倍。研究人员还计算了大型飞机在有无排放控制系统的情况下产生的排放,发现混合动力设计将消除95%的NOx排放。

该团队目前正在设计一种零影响飞机,飞行时不会释放NOx以及其他化学物质,比如改变气候的二氧化碳。

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科技简报》杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号技术简介杂志。

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