在实验中,

机身机翼结构要做到比实际寿命多2倍,

也就是说要做到3倍寿命,

才能证明这架飞机的设计是合理的、安全的。

刘峰中国民用航空飞行学院教授

格致论道第30期 | 2018年9月20日 四川

大家好,我叫刘峰,来自中国民用航空飞行学院,非常高兴来到这里和大家分享我的航空故事。

对中国人来讲,其实中国古代很早就有飞天的梦想。

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▲ 敦煌壁画《飞天》

这是一幅敦煌壁画——《飞天》。敦煌壁画是从北朝到元代,历经数十个朝代形成的壁画。从这里就可以看到,我们的祖先一直都有飞天的梦想。

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▲ 明代万户雕像

明代的时候,有一个叫万户的人,他把火箭绑在了椅子上,希望借助火箭的动力飞上天空。当然受限于当时的技术条件,没有能够实现,他也因此失去了自己的生命。

1903年,莱特兄弟造出了第一架有动力的、密度上重于空气的飞行器,随后他们进行了一次持续的飞行,这就是现代航空史的开端。

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▲ 莱特兄弟和他们的飞机

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▲ 中国飞行家冯如

在同一时期,中国人在干什么呢?我们有没有人也在从事相关的研究呢?其实是有的。他就是冯如,一位中国飞行家。

当时,冯如制造了两个型号的飞机,一个是冯如1号,一个是冯如2号。他从美国回到中国,在中国进行了试飞。遗憾的是,1912年,冯如在一次试飞中,由于飞机失事失去了自己的生命。

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在那个年代,人们在考虑飞机安全性的时候,主要考虑的是飞机飞上天之后会不会坏,机翼会不会断裂,机身上面会不会有裂纹等这类问题。

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▲ 地面实验使用沙袋模拟分布载荷

受限于当时的技术条件,在地面做试验的时候,他们用的是沙袋,这些东西我们现在都可以经常见到。

当时没有计算机辅助,也没有液压设备,怎么办呢?航空先驱们就采用沙袋进行加载。沙袋有什么好处?飞机飞行的时候,作用在飞机上的载荷是气动力载荷,气动力载荷是一种分布载荷,用沙袋可以非常好地模拟分布载荷的效果。

这里我给出第一个关键词,就是强度。强度是什么?实际上这个概念很简单,用一句话来说就是,结构抵抗破坏的能力。讲到结构破坏,它一定是有载荷上去才会产生破坏。

飞机的升力是飞机最主要的载荷之一,究竟它是怎么产生的?我们来看一下。

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▲ 飞机升力产生的机制

大家现在看到上图是一个对称的翼型,它是一个二维图形,实际上你可以把它看成是飞机机翼的横截面。

我们会发现,翼型的迎角在逐渐增大,向上偏转,上翼面的气流逐渐开始紊乱——最开始还是层流状态,流动的非常均匀,迎角大到一定程度,上翼面气流就完全分离了。升力其实就是利用机翼划过空气的时候,上下翼面之间的压差来产生的。

上翼面气流为什么会分离?我讲一个很小的事例,大家就都知道了。大家都见过烟柱,农村都有烟囱,烟囱出来的烟最开始是很稳定的,它是直直的向上运动,当运动到一定距离的时候,由于烟柱里面的空气跟旁边的空气产生了摩擦,因此它逐渐产生了抖动,抖动以后会产生乱流。

机翼上表面也是一样的,空气会跟飞机的上翼面产生摩擦,由于摩擦阻力的作用,上翼面气流的速度会下降,逐渐产生紊流。这是升力产生的基本原理,也是上翼面气流从正常层流到失速的一个过程。

考虑了载荷和强度,飞机是不是就安全了?实际上并不是,那还有什么问题呢?

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▲ 飞机在飞行中会产生变形

航空先驱们发现,最早期的一部分飞机只考虑了强度问题,其实飞行中还会出现其他问题,比如说飞行中机翼的变形量太大。我们现在知道,飞机在飞行的时候机翼会向上弯曲,实际上除了向上弯曲的变形之外,机翼还会产生扭转。

高速飞行的时候,如果机翼太软,机翼会产生振动。振动会包含两个模态,一个是弯曲的模态,还有一个是扭转的模态,两个模态会叠加在一起。如果机翼在空中出现颤振,那么飞机就会在很短时间内解体。

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▲ DC-3飞机

吸取了这个教训之后,工程技术人员开始关注刚度的问题,也就是说我们要让机翼有一定的硬度,不能够让它变形太大。

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考虑到强度和刚度之后,就出现了这些型号的飞机,比如在20世纪40年代,DC-3飞机,其实它最开始是一个民用型号,但是后来在飞行中出现了问题。

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▲ 英国彗星号飞机

还有一款更出名的飞机叫彗星,是英国生产的。这两个型号的飞机在后续的运营中都出现了失事,甚至结构破坏的情况。我们看一下彗星飞机的情况。

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▲ 坠毁的彗星号飞机

这是一架坠毁的彗星飞机。

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▲ 爆裂解体的彗星号飞机

这张图片更加的惨烈,飞机完全解体了。

这张照片可以看到机身出现了爆裂的情况,机体结构为什么在空中飞行的时候突然爆裂呢?

很简单,实际上工程技术人员在最开始研究飞机的时候,忽略了一个问题,什么问题呢?就是疲劳问题。我们制造飞机需要材料,有金属的材料,也有非金属的材料,目前地球上所能找到的材料几乎都存在一个问题——疲劳。

小朋友读书,看时间长了会疲劳,材料也会疲劳,所以这几个型号的飞机出现了事故,主要是因为金属材料疲劳,出现裂纹而造成的。

飞机在高空飞行的时候,如果飞机突然出现结构爆裂,会导致舱内气压突然下降,人的肺部气体来不及排出,就会引起肺出血。因此根据当时的现象也可以判断,飞机出现了空中解体。

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▲ 阿罗哈空难

这张照片是后续的,我们称为阿罗哈空难。当时飞机在飞行过程中,前半机身的上壁板几乎全部脱落。

大家能看到这是落地之后正在紧急撤离的状态,我们甚至能看到乘客惊恐的表情。幸运的是,事故只有一个人遇难,是一位空乘人员,当时正站在过道中没有系安全带。

从这几个案例可以看出,疲劳是我们不能忽视的问题。工程技术人员认识到了强度问题和刚度问题,也认识到了疲劳问题。那是不是就完全没有问题,完全安全了?

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▲ 计算模拟裂纹扩散过程

我们来看一看,在解决疲劳问题的时候,用一个试验机来测试材料的性能,有了性能信息之后,我们就可以利用数值计算方法,模拟裂纹从开始产生到不断扩展的过程。

大家看,红色区域就代表受力比较大的地方。我们既然能分析到这个程度,飞机为什么还会出问题呢?为了很好地解决疲劳问题,我们甚至还做了全机的疲劳试验。

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▲ 787飞机疲劳试验

这是787飞机的疲劳试验。大家仔细看,机翼在液压机械作用下缓慢上下弯曲,这与大家坐飞机时看到的机翼变形是不是很相似?

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▲ 787飞机疲劳试验

实际上在实验中,787的机身机翼结构要做到比实际寿命多2倍,也就是说它要做到3倍寿命,只有做到这点,才能证明这架飞机的设计是合理的、安全的。

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▲ 707和空客A300

考虑疲劳问题之后,这个时期出现的典型飞机就是707和空客A300,这是非常有名的两款商用飞机。

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▲ 中国运-10飞机

同一时期,中国有没有类似的飞机?其实也有,那就是运-10飞机。非常遗憾的是,由于当时我们国家财力有限,运-10飞机项目不得不停止。

实际上这款飞机飞得还是比较好的。当时西藏地区遭受了雪灾,这款飞机从成都起飞,向拉萨的机场运送了很多救灾物资。

我们可以设想一下,如果当时这个项目继续下去,我们国家民用飞机的水平肯定会比现在要高很多。当然,最近这几年我们有ARJ21,也有C919,进步还是非常大的。

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考虑疲劳问题之后还有没有其他问题?我们做了试验,能做到3倍寿命,好像已经很安全了。但遗憾的是,还是出现了问题。

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▲ 第一行:F111、F4 ;第二行:F5A、KC135

上图中的4款飞机,在实际运作过程当中,并没有达到我们预计的寿命,它们出现结构损伤的时候只飞了100小时,但根据我们疲劳分析的寿命应该是4万小时。

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为什么它们还是坏掉了呢?实际上,我们还忽视了一个问题。我们在做疲劳试验的时候,总是认为飞机是新的,它所有的结构系统都应该是没有问题的。

但其实是有问题的。比如,铝合金在原材料冶炼过程中可能存在气孔;制造过程中,加工刀具可能在工件上留下的刀痕,这些都给我们的构件带来了初始的损伤。

如果这些情况没有被注意到,在飞机运行中,在疲劳载荷的作用下,比如之前提到的弯曲载荷、扭转载荷,初始损伤就会慢慢扩展,一直到出现断裂。

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▲ 陆萨卡空难货机的故障位置

怎么解决这个问题?在陆萨卡空难后,我们的专家提出了下面这个关键词,损伤容限。损伤容限是什么意思?就是我们应该认为,飞机在出厂时本身就是带有缺陷的,我们应该采取措施来限制缺陷的发展。

采用什么措施呢?第一,我们可以规定多大的损伤是可以接受的,出厂的时候,这个损伤在整个寿命期内都不会导致飞机出现灾难性的后果。

第二,我们可以给飞机设定检查的间隔。到了检查的时间,我们就对飞机的结构进行一定程度的检查,发现问题及时处理。

上述这些都是我们可以解决问题的方法。美国空军在1971年的时候就提出了这么一个标准,到1975年提出了损伤容限的试航规范。

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前面大概回顾了一下我们结构发展的历史,现在我们看看结构设计思想的发展过程。为什么会发生这样一个变化,实际上跟我们的航空技术有关系。

从设计角度来讲,大家可以看到,我们现在借助计算机技术和计算流体力学技术,可以很准确地计算出一架飞机在穿越空气的时候,它表面的速度场是怎样分布的。

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▲ 飞机速度场分布的可视化

在这个空间当中,每一个点的速度有多大?速度是指向哪个方向的?每一个点的压力有多大?每个点的涡量是多少?然后以一种可视化的方式呈现给大家。平时我们接触的空气都是透明的,但通过计算机技术我们能够看到。

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▲ 利用计算机设计和组装飞机

另外,我们还可以在计算机上对飞机进行详细的设计。在计算机上对飞机进行组装,甚至可以把设备一起装上去,这在以前是不可想象的。

以前如果设计一款飞机都是用手工来画图纸,一个型号的飞机从开始研制到能够交付用户,大约要20年。一名飞机设计人员,一辈子能参加1~2个型号的飞机设计就很不错了。但是现在有了计算机技术辅助,一个型号的飞机大约5~6年就可以做出来。

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▲ 部件受力情况的可视化

还有结构受力的情况,我们也可以以一种可视化的方式展现给大家。这是飞机起落架上常见的东西,叫抗扭臂,越鲜艳的部分就是受力越大的部分,我们可以通过计算结果对结构进行优化。

这个结构的截面是不是需要这么大?如果应力或是受力比较低,我们可以把材料减少一点,飞机就可以变得更轻一点。我们还要考虑环保问题,飞机在飞过天空的时候有噪声,噪声一方面会影响居民生活,另外一方面噪声也是飞机的载荷。

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▲ 飞机受力可视化

大家知道声音是振动的,如果我们所处的空间是真空的,大家就听不到我说话的声音。声音是质点振动,质点振动就会产生应力的影响。所以声音也是一种载荷,也是我们要关注的。从设计的角度,我们需要考虑这些问题。

从制造角度来讲,我想提出一个关键词,就是复合材料。我们现在制造飞机,除了常见的铝合金,先进飞机上往往会采用复合材料。

复合材料这个东西并不新鲜,我们的老祖宗一直在用,什么时候在用呢?比如中国古代筑墙的时候,要用稻草、秸秆和着泥土,甚至再加一点糯米浆。这实际上就是一种典型的复合材料,秸秆是其中的增强体,而泥土和糯米浆就是基体。

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▲ 复合材料

现在航空上用的复材主要是碳纤维增强复合材料。碳纤维的强度有多高呢?简单来讲,它至少会比一般的钢材大五六倍以上,现在最好的碳纤维甚至可以达九到十倍。

大家想想看,同样的一个力,我们用强度高的东西去承载,重量自然就会下降,而且碳纤维这种材料的密度比钢铁还低很多,这样就使飞机越来越轻,载重量越来越大,航程越来越远,性能也越来越好。

平时坐飞机,大家进客舱踩的那个地板就是一个蜂窝夹芯的复合材料,像A340和A330的地板有多厚呢?大家可能想不到,只有大约五六毫米,非常薄。但是你踩在上面不会觉得有很大的变形,不会踩到凹下去。因为它是碳纤维做的,刚度很好。

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▲ 铝蜂窝板

除了我们用聚合物的蜂窝之外,还会用到一些金属蜂窝,比如铝蜂窝。可以用铝蜂窝来做夹芯材料。

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▲ A380上的各种复合材料

在A380飞机上,采用了大量的复材进行制造。

讲完制造,我们来讲讲试验。刚才讲了,工程当中我们不能完全依靠分析,必须要有试验来验证。

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▲ 787飞机静力试验

这是787飞机在做静力试验,这是个静态图,我们再看看动态图。

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▲ 787飞机在做静力试验

大家可以看到,机翼在液压机械和电脑的控制下,整个机器发生弯曲,跟大家平时看到的机翼变形量有什么不一样呢?它的变量更大,因为我们这里要看它的极限状态。

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▲ 777飞机机翼破坏试验

这是777飞机机翼破坏的视频。我们要看一看,它破坏的时候,载荷是不是跟我们设计的一样。这就是一些我们的试验手段。

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▲ A380起落架落震试验

从系统角度来讲,飞机除了结构之外,还有起落架、液压、燃油、空调、引气等等很多系统。这是A380起落架在做的落震试验,模拟的是飞机接地那一瞬间起落架的状态。

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▲ A380刹车装置

还有更重要的,减速用的刹车,这是A380的刹车装置。大家可以从视频中看到轮毂里面在冒火,它测试的也是一个极限的刹车状态,经过这些试验之后,才能确保飞机飞行的时候是安全的。

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除了飞机本身之外,还有什么因素影响安全呢?还有一个很重要的因素就是人为因素。有统计数据显示,70%~80%的航空事故,是由于人为原因造成的。

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▲ 模拟飞机着陆

像这架A330飞机在着陆的时候,由于机长判断失误,没有及时进行复飞,所以飞机落地的时候已经到了跑道的中间,最后它冲出了跑道。

怎么样来避免人为的差错?我从飞机的飞行控制系统来举个例子,现在飞机的操纵系统有两大类,一类是机械的,我们用液压来进行助力,还有一类是电传的,在图上,大家能看到飞机的很多操纵面,它能控制飞机的抬头、低头、俯仰、横滚,还有偏航。

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▲ 飞机的机械助力操纵与电传操纵

区别在哪里?我们看一下这张图,虽然显得很专业,但其实很简单,如果采用电传的操纵系统,飞行员的信号在发送出去之后,首先要经过计算机进行分析和处理。

举个例子,双发飞机横滚的时候,最大角度是30度,如果飞机已经滚转到了30度,飞行员还在压杆,飞控计算机就会过滤掉这个信号,改为由计算机进行控制。

下面,我们看到的是几款比较先进的飞机。

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▲ 苏-35做眼镜蛇机动

这是苏-35。以前有朋友问我,航展的时候飞机为什么要拉烟?很多人说这样是为了好看,实际上,我告诉大家,它还有一个很重要的作用。

通过拉烟,我们能看到飞机附近空气流动的情况,大家看视频中的苏-35在做眼镜蛇机动的时候,机翼的上翼面气流全部分离了。

它怎么样才能恢复状态呢?苏-35用了推力矢量喷管才能恢复这个状态。

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▲ X-35B测试试验

再比如,这是F-35飞机的前身:X-35B在做试验时的一段录像,这是一个能够垂直起落的飞机。

我们能看到它整个起飞的过程,尾喷管向下偏转,前方的升力风扇打开,另外在机翼上还有两个喷气口,用来控制飞机的横向平衡。飞机开始起飞了。我们甚至能看到在起飞的时候,它内部计算机在调节推力的大小。

民航领域,比如最新的A350,A380这两款飞机,现在都是很先进的飞机。A380的最大起飞重量是560吨。560吨是什么概念?一辆家用轿车大约是1吨到1.5吨,大家可以对比一下。

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为了保证民航飞机的安全,我们现在有几个适航体系。比如,中国民航有自己的民用航空条例,美国的联邦航空局(FAA)也有它的适航条例,还有欧洲主要是EASA体系来保证安全。有这么多工作来保证飞机的安全,那么飞机运行过程中还会遇到什么问题呢?

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▲ 鸟与飞机相撞引发的事故

大家可以看这张图,鸟撞到飞机上。一只很小的鸟,很柔弱的样子,它为什么会把飞机撞成这个样子,因为相对速度大。民航飞机和军用飞机都会考虑到这些问题,在设计的时候,就已经考虑到这些因素,在结构上做了一些布置。

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▲ 恶劣天气对飞机的破坏

还有天气因素的影响,比如冰雹、雷电,我们也会做一些相应的处理。

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▲ 飞机的避雷方案

比如把飞机所有的金属件连接起来,形成等势体,这样电流只会从飞机的外表面通过,而不会到里面去,所以大家遇到雷电的时候不用害怕。另外,还有气流的影响。

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▲ 风力对飞行的影响

大家看一下,这架飞机在刚起飞的时候,遇到逆风,到中间的时候遇到下降气流,再往前一点又变顺风了,所以气象条件对飞机的飞行也有一些影响。除了风以外,还有就是雷暴。

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我们国家现在的航空科普教育,跟航空发达国家比还差了一点。以前经常有旅客在值机台跟工作人员理论,明明机场天气很好,为什么不能飞呢?

很简单,是因为旅客不了解,虽然起飞地机场天气好,但有可能在航路上有雷暴。航路上天气好,有可能目的地机场有雷暴,所以在夏季航班延误比较多,就是因为这个原因。

为什么很多人不了解这个情况?是因为我们的航空文化知识普及还不够。实际上,我们现在已经进入了一个大众航空时代,每一个航空强国的航空普及教育都是非常强的。

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▲ 航空博物馆

通过博物馆可以进行知识的传播,还可以通过一些其他的活动,比如说模拟飞行。

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▲ 模拟飞行

这是一个非常好的了解航空知识的渠道,在自己家里就可以实现模拟飞行,可以模拟客机、战斗机的飞行。

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▲ 无人机

另外,我们现在的无人机发展也很迅速,有很多的无人机的极客(GEEK)。他们自己设计无人机,自己来试飞无人机。

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▲ 中国民用航空飞行学院自制无人飞艇

我们学校里也有这么一群人,大家看到的这几个无人机都是学生自己设计的,他们还设计了一些太阳能飞机,还有无人飞艇,有点像大海里面的水母,看起来蛮漂亮的。

这段视频拍摄的是中国民用航空飞行学院的一个校区,用的是我们自己的一款无人小飞机拍摄的,大家看一下,和你在飞机上面看到的是不是很相似。无人机也是航空文化的一种普及方式,它可以改变我们的视野。

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这是一个网友拍摄的视频。大家看一看,这是一个很小的无人机,我们称为穿越机,它拍摄的画面完全改变了我们观察世界的角度。这些都是广大航空爱好者可以自己开展的活动。

未来的飞行会是什么样子?刚才我们有老师给大家讲了这个问题,我的观点和他们有点类似,一定是空天一体。在大气层内我们有相应的飞行器,比如说货运或客运。再往后发展应该是高速飞行器的时代,我们会进入到空天飞行时代。

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从陆地起飞,进入到临近空间(指距地面20~100公里的空域),以高马赫速度飞行,快速到达另一个目的地,将极大地改变我们现在对距离的认识。

大家想想看,当我们没有高铁的时候,是不是觉得距离很遥远,但现在有了高铁,是不是感觉距离缩短了。所以未来世界真的会变成一个地球村。这就是我今天要和大家一起分享的航空经历,谢谢大家。

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来源: 格致论道讲坛