波音和洛馬披露超聲速概念方案細(xì)節(jié)

王元元

空氣動力學(xué)的物理原理決定了無論采用何種外形和動力，只要飛行速度超過聲速就會產(chǎn)生音爆。但是，降低音爆強(qiáng)度的技術(shù)已經(jīng)研究了很多年。近日，波音和洛克希德·馬丁首次披露了他們各自的超聲速低音爆驗(yàn)證機(jī)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

NASA認(rèn)為，經(jīng)過波音和洛馬為NASA設(shè)計(jì)的低音爆驗(yàn)證機(jī)研究，現(xiàn)在進(jìn)行全尺寸的低音爆演示驗(yàn)證的時機(jī)已經(jīng)成熟，更重要的是，可以通過全尺寸的低音爆演示驗(yàn)證來測量公眾對音爆的接受程度。目前，美國的法律禁止超聲速跨大陸飛行，因此開發(fā)一個可行的超聲速運(yùn)輸機(jī)——無論是航線飛機(jī)還是公務(wù)機(jī)——都取決于公眾的接受程度。

NASA航空研究任務(wù)事務(wù)部基礎(chǔ)航空計(jì)劃下高速項(xiàng)目的經(jīng)理彼得·科恩說：“我們認(rèn)為是時候該進(jìn)行飛行演示驗(yàn)證了?？偟膩碚f，我們的工作展示了我們找到了一條正確的研制環(huán)境可接受超聲速飛機(jī)的道路，NASA對此也感到非常興奮。我們已經(jīng)做好了進(jìn)行下一步工作的準(zhǔn)備。我們認(rèn)為下一步的工作是要進(jìn)行低音爆的飛行演示驗(yàn)證，這是確保美國的航空航天領(lǐng)導(dǎo)力和開發(fā)未來超聲速飛行市場的重要舉措。”

在上個月于亞特蘭大舉行的美國航空航天學(xué)會2014年年會（AIAA 2014）上科恩表示，“NASA對重新開啟X驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃非常感興趣。他們想利用X系列飛機(jī)作為一個低成本的驗(yàn)證手段?！钡?，投資這樣一個驗(yàn)證機(jī)需要很多步驟，NASA計(jì)劃在2015財(cái)年尋求資助?？贫鞅硎荆骸斑@是一個漫長的過程，我們僅僅開始了第一步。我們現(xiàn)在必須獲得項(xiàng)目授權(quán)，并尋找合作伙伴，然后才能驗(yàn)證音爆是可以接受的?！?/p>

作為超聲速研究計(jì)劃第一階段（2013～2017）的項(xiàng)目，NASA授予波音和洛馬公司低音爆概念演示驗(yàn)證合同，目前雙方披露了各自的研究成果。NASA授予合同的總體目標(biāo)是：一個有人駕駛、能夠晝夜飛行、巡航速度不低于馬赫數(shù)1.4、巡航高度15240米的超聲速飛機(jī)。同時，要求該機(jī)最優(yōu)音爆水平達(dá)到飛行軌跡下不高于75PLdB，飛行軌跡側(cè)向不高于70～75PLdB。這些指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于“協(xié)和”的105PLdB?？贫鞅硎荆骸拔覀円呀?jīng)完成了第一階段的任務(wù)，并且獲得了技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)可承受的概念方案。我們現(xiàn)在要開始優(yōu)化這兩個布局，并考慮如何將這兩個方案結(jié)合在一起研制全尺寸驗(yàn)證機(jī)?！?/p>

波音的方案

波音獨(dú)特的低音爆驗(yàn)證機(jī)概念采用了雙斜尾和翼上安裝加力燃燒發(fā)動機(jī)布局。

波音的低音爆驗(yàn)證方案的特點(diǎn)是：大后掠機(jī)翼、雙斜尾、細(xì)長針狀機(jī)頭和雙發(fā)翼上安裝發(fā)動機(jī)。波音低音爆飛行演示概念方案主要研究人員Tony Antani表示：“我們的出發(fā)點(diǎn)是基于NASA的N+2代飛機(jī)的研究基礎(chǔ)，但是N+2研究是全尺寸的。為了降低成本，我們進(jìn)行了縮比，安裝了商用貨架發(fā)動機(jī)，并重新設(shè)計(jì)了整個機(jī)翼。我們完成了所有的外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是同時滿足可感覺噪聲、低音爆和最小化配平要求三項(xiàng)指標(biāo)、獲得三者之間的平衡是充滿挑戰(zhàn)的。波音的方案采用了雙余度液壓和電力系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)引氣驅(qū)動環(huán)控系統(tǒng)，低涵道比加力燃燒渦扇發(fā)動機(jī)，雙余度飛控系統(tǒng)作動器和安裝在機(jī)身中部的駕駛艙。駕駛艙罩、駕駛艙系統(tǒng)、主起落架和前起落架都來自其他的飛機(jī)，例如，三軸飛控系統(tǒng)就來自波音的‘鬼眼氫動力無人機(jī)。由于駕駛艙位置靠后，顯示系統(tǒng)采用了增強(qiáng)和合成視景系統(tǒng)以幫助完成起降階段的操作?！?/p>

Antani說：“我們研究了不同的馬赫數(shù)的方案，確定最佳巡航點(diǎn)在1.4和1.6之間。對于噪聲來說，我們目前能獲得0.5dB的裕度，我們還在繼續(xù)努力提高噪聲裕度?！?/p>

一個關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是如何將目前的縮比驗(yàn)證方案可追溯地放大至全尺寸方案。外部可感噪聲低于75PLdB是一個關(guān)鍵的目標(biāo)。驗(yàn)證機(jī)的尺寸對于噪聲峰值頻率在哪出現(xiàn)具有很大的影響。Antani說：“NASA的一個主要要求是展示低頻噪聲對地面建筑物的影響。這就要求峰值頻率低于10赫茲，我們的設(shè)計(jì)方案滿足這個要求?！?/p>

Antani還表示，我認(rèn)為“我們的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上是可行的，并且有合理的表面標(biāo)準(zhǔn)。顫振裕度也足夠，陣風(fēng)載荷并不大。所以我們非常滿意我們提出的方案。”盡管如此，波音的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還在努力解決4個大的風(fēng)險(xiǎn)問題，分別是75PLdB的噪聲上限如何滿足、項(xiàng)目成本如何控制、如何獲得足夠的穩(wěn)定性和操控性以及如何找到合適的動力。

洛馬的方案

洛馬選擇了單發(fā)、單垂尾、三角翼布局作為低音爆驗(yàn)證方案。

洛馬公司的低音爆驗(yàn)證方案同波音的方案差別很大，洛馬采用了更加傳統(tǒng)的、大后掠的三角翼布局，單發(fā)（翼上安裝）、單垂尾和全動平尾。洛馬公司N+2計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)理Michael Buonanno表示，經(jīng)過了4年半研究，現(xiàn)在真正到了“該進(jìn)行飛行驗(yàn)證的階段了”。

洛馬目前的方案也是經(jīng)過了多輪的迭代演變而來的。最開始的方案還包括bump式進(jìn)氣道、分叉式進(jìn)氣道和V型尾翼在內(nèi)的多個不同布局。但是，洛馬發(fā)現(xiàn)大后掠機(jī)翼和V型尾翼在飛行包線內(nèi)會遇到穩(wěn)定性和操縱性方面的挑戰(zhàn)。所以，在項(xiàng)目進(jìn)行到一半的時候，洛馬重新回歸到更加傳統(tǒng)的尾翼布局，這使得它們方案的操縱性和穩(wěn)定性問題得以更好地解決。

洛馬的方案同樣滿足可縮放的要求，能夠?qū)⑷叽珧?yàn)證機(jī)噪聲峰值頻率控制在8赫茲。并且保持兩者音爆波形的相似。

洛馬的低音爆驗(yàn)證機(jī)方案長24米多，翼展8.5米。最大起飛重量9.9噸，空機(jī)重量6.35噸，可裝載燃油2.99噸，洛馬表示這比NASA提出的載重能力高出不少。該方案采用的翼上安裝發(fā)動機(jī)有很好的降低音爆的效果。在進(jìn)氣口處，機(jī)體對音爆產(chǎn)生了很好的遮蔽作用，并且通過研究我們發(fā)現(xiàn)該進(jìn)氣口對于發(fā)動機(jī)溢流和任何邊界層擾動并不敏感。在尾噴口處，我們通過大的尾椎角進(jìn)行噪聲遮蔽。

Buonanno表示，同波音一樣，洛馬也遇到了成本問題，最終選擇了商用貨架發(fā)動機(jī)，并成功的同機(jī)體進(jìn)行了集成。在許多其他部件和系統(tǒng)方面，洛馬也采用了商用貨架產(chǎn)品，包括來自F-16的起落架等。此外，由于洛馬的方案中，駕駛艙距離機(jī)頭有12.2米遠(yuǎn)，該方案也采用了合成視景系統(tǒng)。Buonanno表示，洛馬目前的方案自成體系，完全能夠滿足NASA提出的任務(wù)需求、音爆指標(biāo)和配平要求，下一步的工作是繼續(xù)使這些概念成熟，為實(shí)現(xiàn)下一代超聲速旅行鋪平道路。