每当谈及现代航空奇迹时,物理学往往是人们谈论的焦点。尽管如此,化学使许多基础技术得以整合到飞机的复合外壳或数字电路中,让乘客可安坐座位欣赏最新电影。
没有化学的辅助,趣致假期无法成行。例如,Krytox™ 等润滑剂使水肺潜水氧气瓶能够承受深海的恶劣条件,为高性能自行车提供润滑,帮助驱动造波器(在冲浪池中营造人工海浪的机器)等。
但如果没有能够飞越各类地形的有力工具 — 航天飞机,度假者可能永远无法跨越数千英里到达这些迷人的目的地。广阔天空下,化学奇迹无处不在。
随着航空航天工业的发展,科学已经把一度难以想象的体验变成了日常现实 — 在环境极其恶劣的万米高空,数以百万计的乘客仍可安全舒适畅享飞行体验。如今,化学更是为航空旅行带来了前所未有的燃油效率、安全性和舒适度。
在汽车行业,为了更好的性能和燃油经济性而使用轻量材料(即减小车身重量)可能是一种相对较新的做法,但在航空业,飞机的重量监测可以追溯到莱特兄弟时代。现在,科学正在帮助航空公司在这方面取得新的进展。2011 年开始投入运营的波音 787 梦想客机经过专门设计,比上一代产品波音 767 客机节省20%到 25%的燃油 1。这意味着截至 2018 年,预计实现了 180 亿磅的燃油节省。2那么,是什么让大小差不多的飞机能够实现如此大的效率提升?
一个主要因素在于它采用的新型外壳材料。现代复合材料、陶瓷和广泛的碳纤维增强材料构成了 787 机身的 50%,使 787 梦想客机比同类的铝制客机更轻、更耐用3 — 且更不易腐蚀。4
科慕应用开发小组的技术服务工程师 Steve Johnston 表示:“这样的设计让航空公司能够获得更优异的回报。” “更小巧轻便的机器能够实现更高的性能。新材料所需要的维护也更少。如此一来,飞机的服务时间就大大提高,为运营商赚取更多利益,进而降低总体成本。反过来乘客也会受惠。”
当然,使这一切成为可能的复合机身面板中也少不了化学成分的应用。“这些复合材料是在相当高的温度下制成的,”科慕高级技术顾问 Bob Moffett 指出。“相关的压膜设备可以使用 Krytox™,它能够承受高温,并提供从模具中分离零件所需的润滑。”
Johnston 认为,未来 Krytox™ 将有助于飞机实现更高的燃油效率。他说:“我可以设想对引擎设计的改变,使它们体积更小但更强大。” “据我所知,过去为了提高发动机的运行温度,在使用 Krytox™ PFPE 类润滑油替换传统发动机润滑油方面也进行了许多努力。”
Bob Moffett
高级技术顾问
毫无疑问,化学提高了空中旅行的安全性。
起飞前,空乘会指出紧急出口,并向乘客展示如何将座位作为漂浮装置来使用。与此同时,化学在背后默默发挥作用,以确保这些紧急措施永无派上用场的机会。
Anton Soudakov
Viton™ 氟橡胶和 Teflon™ PTFE 北美产品经理
Viton™ 对极热环境和腐蚀性燃料有着极强的抗性,有助于防止燃油泄漏和发动机故障等各类问题。
除了对风切变、山脉等明显的危险信号做出安全警示,化学还在飞机不太为人所知的系统中秘密发挥作用。在发动机深处,Viton™ 氟橡胶用于密封件和 O型环。Viton™ 对极热环境和腐蚀性燃料有着极强的抗性,有助于防止燃油泄漏和发动机故障等问题,科慕北美产品经理 Anton Soudakov 表示。
即使是面罩掉落时流动的应急氧气也含有 Krytox™ 成分:在该系统中使用时,它与氧气不会发生危险反应。传统润滑油与液态氧和气态氧直接接触时可能会起火,但 Krytox™ 却无此后顾之忧。Moffett 说:“化学确实提高了航空旅行的安全性。”
乘坐飞机在云层上空翱翔的新鲜感终究会消失。一旦飞机达到巡航高度,乘客的专注点就变成了舒适度:发动机的噪音是否明显? 空气是否污浊? 是否有丰富的影片选择? 事实上,正是这种舒适让空中之旅变得友好。
Johnston 说:“在汽车内,我们使用 Krytox™ 应用来解决 NVH — 噪音、振动和声振粗糙度等问题。” 这是科技进步带来的意想不到的结果之一。车内环境比以前安静许多。更好的隔音和空气动力学减弱了发动机的嗡嗡声和空气的轰鸣声。因此,来自外部装饰或内部配件的吱吱声和响动反而令人不悦。“对于飞机来说,”Johnston 表示,“这是一种类似的探索。”
工程师们也关注空气质量。Johnston 说:“新一代飞机已不再使用发动机引气系统。老式飞机从发动机中泵入压缩空气,而新飞机则采用不同的方式。如今,现代飞机使用独立的压缩系统来改善空气质量。此外,这样的复合外壳还使飞机能够向空气中泵入更多的水分,从而使机舱内不那么干燥。
Steve Johnston
技术服务工程师
新材料所需要的维护更少。如此一来,飞机的服务时间就大大提高,为运营商赚取更多利益。
最后还有机上娱乐。对于想在往返洛杉矶和悉尼之间的航班上打发时间的乘客来说,不太可能想到化学从中会起到多大作用。但是,每一部传送到飞机 LCD 屏幕上的电影,都有一个数字系统在起作用。而这种数字系统之所以能够工作,全要归因于借助 Teflon™ 生产的半导体(这种氟产品通过减少制造过程中的污染,帮助芯片制造商实现更高的产量)。
乘客可以在非常安全的飞机上舒适地享受电影,由此可见,自莱特兄弟从 1900 年最原始的载人飞行测试以来,飞行已经取得了多大的进步。
阅读 Chemical & Engineering News(《化学与工程新闻》)探索更多趣闻,了解化学和材料科学如何创造生活乐趣。
1资料来源:“The 787 Family: A Benchmark in Fuel Efficiency.” 波音公司。www.boeing.com/commercial/787/by-design/#/benchmark-fuel-efficiency。
2资料来源:McIntosh, Andrew. “18 Billion Pounds of Fuel Saved: Boeing Releases New Dreamliner Data.” The Business Journals,2017 年 10 月 3 日。www.bizjournals.com/seattle/news/2017/10/03/18-billion-pounds-of-fuel-saved-boeing-releases.html。
3资料来源:“What Makes the Boeing 787 Dreamliner So Fuel Efficient?” AirlineGeeks.com,2018 年 1 月 29 日。www.youtube.com/watch?v=YSeRoCpu4eE。
4资料来源:Paur, Jason. “Boeing's 787 Is as Innovative Inside as Outside.” Wired,Conde Nast,2009 年 12 月 24 日。www.wired.com/2009/12/boeing-787-dreamliner-interior/。