NASA绿色航天计划：3D打印制造新型电动机

寂静天花板

美国国家航空航天局(NASA)最近挑选了5项与航空航天有关的技术进行大力发展，这五个研究团队分别来自NASA位于弗吉尼亚、加利福尼亚和俄亥俄州的航天中心。其实，这些技术对于NASA来说只是“开胃菜”，是其目前正在进行的更野心勃勃的“集中航空解决方案(CAS)”项目的一部分，后者将持续两年时间。

这5个项目分别是：研究一种新型燃料电池；在3D打印技术的帮助下增加电动发动机的输出；使用锂空气电池存储能量；探究新的力学原理以改变飞行中的机翼形状；使用轻质气凝胶制造一款新天线。

NASA“变革性航空概念项目(TACP)”负责人道格·罗恩说：“这5项极富创意的想法，再加上我们在2015年精挑细选出的6大创新性设想，将有助于我们解决目前航空领域面临的最大挑战。”这些挑战包括减少燃料使用、减少航天业对环境的影响、降低机场周围噪音等。随着飞机数量不断增加，这些挑战也越来越严峻。

超高能低排放的新燃料电池

NASA的研究人员正在深入研究一款新型燃料电池，让氢气与氧气结合发电，用于驱动全电动或混合动力的电动飞机。

燃料电池并不是一个新东西，而且与航空航天领域渊源颇深。燃料电池的历史可以追溯到1838年，当时德国化学家提出了燃料电池的理论，但其真正实现商用化则是1955年的事情。美国通用电气工程师造出了实用化的氢燃料电池，随即通用电气就和NASA及麦克唐纳飞行器公司发展这项技术，应用于“双子星计划(Project Gemini)”，这是燃料电池首次在商业上应用，也让美国成功打破了前苏联的航天飞行纪录，推动了燃料电池的商业化。在上世纪60年代的几次太空任务中，燃料电池用于驱动登月探险车及供应宇航员饮用水，均证明了它的实用性。

一般而言，氢气和氧气以超冷液体的形式存储在飞机上，需要装槽过程复杂且成本高昂，对小型单引擎飞机来说，搭载这些氢气和氧气并不实际。

最新项目将研究一种燃料电池系统，能从标准的以碳氢为主的航空汽油中提取出氢气，从空气中提取出氧气，接着将氢气和氧气混合来发电。这一过程的排放产物也会通过一个涡轮机，从而增加能量产出。

与燃料在标准的活塞发动机燃烧产生的能量相比，这一燃料电池的能效更高，因此能节省燃料并降低排放。而且，目前机场也支持这样一套系统，因为它不需要再安装任何昂贵的新设施或其他配套设备。

3D打印造出的新型电动机

NASA希望在接下来10年内，竭尽全力达到与绿色航天有关的目标，在此背景下，全电动和混合电动飞机有望“大显身手”。此外，科学家们也希望改进发动机的能量密度。

他们提出的解决方案是利用3D打印技术制造电动发动机的零件，得到的零件会更轻甚至更小，与其他材料组装在一起，从而制造出拥有更高能量密度的发动机。

据NASA官网报道，NASA去年12月对一台采用多个3D打印复杂部件的火箭发动机成功进行了测试，采用低温液氢和液氧燃料，产生了2万磅的推力，这也意味着向实现全3D打印的高性能火箭发动机迈进了一步。

研究人员表示，3D打印技术将在未来太空探索中发挥更大作用，未来的计划包括对采用液氧和甲烷推进剂的发动机进行测试，这是用于火星登陆器的重要推进剂，因为火星上可能存在甲烷和氧气。

用于电动飞机的锂空气电池

广泛采用电动飞机面临一大障碍：需要将足够多的能量存储在电池内，即使对短途飞行的小飞机来说也不例外。一个潜在的解决方案是使用锂空气电池，从理论上来说，与其他电池技术相比其储电能力最强。

锂空气电池是“会呼吸的电池”，这意味着随着电池能量耗尽，氧气会被拉入电池内同锂离子相互反应；而且当电池正在充电时，氧气会被排出。但不幸的是，锂空气电池在使用时，标准的电解液(使电池能工作的材料)会在操作过程中快速分解，使电池在经历几次充电/放电循环之后变得无用。

NASA挑选出的科研团队将调查设计出新奇且超稳定电解液的可行性。如果电解液不容易分解，电池就能持续更长时间，从而使飞机大大拓展其飞行距离。

顺着翼展方向的自适应机翼

要使飞机更节能，并且降低排放和噪音，有效方法是缩减垂直尾翼的大小。

飞机尾翼的大小基于一个需要：在起飞或降落的过程中，如果发动机出现故障，能将飞机保持在跑道的中央。一旦飞机到达巡航高度，大机翼会增加飞机的重量和阻力，从而浪费很多燃料。

一个有潜力的解决方案是，让飞机机翼的尾端能按需向上或向下折叠，使主垂直尾翼更小。要实现这一任务的挑战在于如何最好地完成移除硬件这一力学任务，需要解决的问题包括更大程度地让机翼紧凑且轻质。

基于卫星通信的轻质天线

限制商用无人机系统发展的一个挑战在于，美国国家空管系统要求所有此类飞机要在其地面飞行员操作的无线电通信视线范围之内。

无线电通讯技术可在一定范围内连接无人机和飞行员，NASA不希望通过卫星来通信，但目前通讯设备对小型无人机来说太重。研究人员将研究轻量级、灵活的无人机，这将会减少飞机阻力、排放和燃料使用。

通过基于卫星的追踪系统来转播命令、控制通信是一个潜在的解决方案，但涉及到的天线系统可能很重，而且会从飞机表面突出出来，增加阻力、油耗以及排放。

研究人员希望，通过布设一套可弯曲的天线，使基于卫星的通讯成为可能，这套天线由轻质且非常纤薄的气凝胶组成，能很好地与飞机外形贴合，从而减少阻力，降低油耗和排放。

这款正在研究中的天线的一个关键特征是，它能在特定方向传输信号，确保飞机在低空飞行时能与卫星保持稳定连接，同时对地面的干扰最小。

研究人员表示，尽管这些技术最后不一定管用，但也只有试过之后才知道。