靜待超聲速客機2.0時代

趙迪

目前，美國國家航空航天局（NASA）的工程師們正在努力定義一個較低音爆的新標準，波音公司和洛克希德·馬丁公司也最新公布了他們超聲速飛機的概念圖——有趣的是，由洛馬公司設計的超聲速飛機，水綠嫩白的機身和削尖的整體造型，一公布就被廣大網(wǎng)友昵稱為“蔥上云霄”。在2014美國航空航天學院年展上，亦出現(xiàn)了一款新型超聲速客機。該機能夠有效降低超聲速飛行所產(chǎn)生的音爆。NASA等機構現(xiàn)正在鋪就一條超聲速旅行的回歸之路。

難舍“超聲速”

直到現(xiàn)在，超聲速旅行都還是個令人熱血沸騰的詞匯。其實早在上世紀60年代，它就已經(jīng)落實于研究中。曾幾何時，乘坐協(xié)和式飛機進行一次跨越大西洋的超聲速之旅，是西方名流們彰顯身份的熱門方式之一。然而，盡管在運輸效率上開創(chuàng)了新的紀元，安全性方面也總體表現(xiàn)良好，但協(xié)和式飛機始終沒有擺脫高成本、設計缺陷等諸多問題的困擾。最終，在一次機毀人亡的意外事故之后，“協(xié)和”飛機于2003年退出了民用航空的舞臺。

“協(xié)和”式客機的隱退，并沒有終結人們對于超聲速民用航空的懷念與追逐。近年來更是不斷有公司展示各自原創(chuàng)的未來超聲速飛機。不過在將構想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實之前，他們都必須解決一個協(xié)和式飛機當年就曾面臨的問題——音爆。

音爆降低讓超聲速客機回歸

當物體接近聲速時，會有一股強大的阻力，使物體產(chǎn)生強烈的振蕩，速度衰減，這一階段被稱為音障。當突破音障時，由于物體本身對空氣的壓縮無法迅速傳播，逐漸在物體的迎風面積累而終形成激波面，其上集中了高度的聲學能量。此時，人們會感受到短暫而極其強烈的爆炸聲，稱為音爆。

音爆釋放的能量巨大。當飛機作低空超聲速飛行時，不但地面的人畜能聽到震耳欲聾的巨響，影響人們的生活和工作，嚴重的還可以震碎玻璃，甚至損壞不堅固的建筑物，造成直接損失。因此NASA禁止在陸地上空超聲速飛行，其他國家管制陸地線路的航空機構也是如此。

從這個角度而言，降低音爆是超聲速飛行器回歸的重要前提之一。目前，業(yè)界使用“感知分貝水平”（PLdB）來測量音爆的大小。以協(xié)和式飛機為例，它的水平達到了105，足以震顫地面居民的窗玻璃。研究人員普遍認為，75是陸地上空超聲速飛行的可接受值。

但NASA有志于將其水平降到70甚至更低——這并非易事，因為音爆與飛行器重量成正比關系。小型飛機或許可以輕松實現(xiàn)，但大型載人客機則要困難得多。波音和洛克希德·馬丁公司的設計在風洞試驗中的數(shù)據(jù)是79，已經(jīng)被認為是相當出色的表現(xiàn)，但NASA依然堅持“70-”的高標準，并且不斷加快技術攻關的進程。因為在NASA以及許多工程技術專家看來，經(jīng)過多年的積累，當前超聲速研究領域的發(fā)展水平，已經(jīng)足以支持實用性低音爆飛行器的設計與開發(fā)。

此前，NASA已經(jīng)在加州的阿姆斯特朗飛行研究中心試飛了小型樣機，以此收集和聽取參與實驗的公眾對噪聲水平的意見。此外，NASA還不斷改良機體的外形設計，包括更加細長的機首、更加平滑的機身以及有利降低音爆的三角翼等等。NASA表示，“更安靜的超聲速飛機”將逐步解除不允許在陸地上空進行超聲速飛行的行業(yè)禁令。

不僅NASA一家，波音公司、洛克希德·馬丁公司、Aerion、斯派克宇航等企業(yè)當前也在推進研究的步伐。維珍銀河航空的老板理查德·布蘭森更是宣稱，即將造出時速一萬九千英里的產(chǎn)品。行業(yè)分析普遍認為，新型超聲速民用客機，有望在未來的15年內(nèi)投入使用。

異曲同工的雙翼超聲速客機

在美國，除了擁有強大實力的制造企業(yè)之外，美國一些大學的科研團隊也在尋求未來超聲速客機的解決之道。2012年的時候， 美國麻省理工學院和斯坦福大學的一個聯(lián)合科研團隊提出了一種雙機翼設計方案，并聲稱該方案可以解決“協(xié)和”式超聲速噴氣客機存在的很多問題。該研究團隊已經(jīng)通過計算機模擬證明，在以超聲速航行時，經(jīng)過改裝后的雙翼產(chǎn)生的阻力比傳統(tǒng)的單翼飛機要小得多。不過，與上述洛馬公司、波音公司的方案異曲同工的地方在于，這種雙翼設計的最初目標也是為了使飛機產(chǎn)生的音波爆更小。

在這種雙翼設計方案中，客機的每一側都有兩個機翼，一個機翼置于另一個機翼的上方，這種設計可以消減每個機翼各自產(chǎn)生的沖擊波。一般而言，當傳統(tǒng)飛機接近聲速時，飛機前后的空氣就開始壓縮。隨著飛機的航行速度達到并且超過聲速，空氣壓力的突然增加會產(chǎn)生兩個大的沖擊波，這兩個沖擊波會向外輻射到飛機末尾兩端，產(chǎn)生超音波爆聲。而該聯(lián)合團隊的研究人員通過計算發(fā)現(xiàn)，雙翼設計能消除沖擊波。

不過，研究人員在計算和測試中也發(fā)現(xiàn)，這種雙翼設計的兩個機翼間會制造出一個非常狹窄的通道，只能容納很少量的空氣通過其中，當飛機以超聲速時，這一通道會被堵塞，從而產(chǎn)生巨大的阻力。這一問題如果不解決，該方案根本不能實現(xiàn)超聲速飛行。為了解決阻力問題，該研究團隊設計了一套計算機模型來模擬雙翼飛機以不同的速度飛行時的情況。在給定的速度下，這種模型能確定最優(yōu)的機翼形狀以讓阻力最小。研究人員先后將幾十個不同的速度、700種機翼設計產(chǎn)生的結果匯總，為每個機翼設計出了最優(yōu)的形狀。根據(jù)測試結果研究人員發(fā)現(xiàn)，把上下兩個機翼的內(nèi)表面設計的更為平整就會制造出一條更寬的通道，空氣能夠流經(jīng)其中。而且，通過讓上方機翼的上邊緣、下方機翼的底邊緣凸出，可以使這種雙翼飛機能以超聲速飛行，其產(chǎn)生的阻力僅為傳統(tǒng)超聲速噴氣客機的一半。

激進的歐洲人

與美國相比，歐洲人在超聲速客機研制方面顯得更為激進，畢竟世界上第一種投入商業(yè)運營的超聲速客機就出自歐洲。3年前，已經(jīng)更為名空客集團的EADS對外公布了一款名為ZEHST的超聲速客機方案，該方案在外形上“協(xié)和”式超聲速客機非常相似，其細長機身、大三角翼、無平尾的氣動布局，具有翼身融合特征，這樣即可以減小機身的氣動阻力，同時大三角翼在飛行時能夠產(chǎn)生非常高的氣動效率，使飛機更適合超聲速飛行。此外，大三角翼因為加強了結構和氣動穩(wěn)定性，還可以提高飛機的安全性能，這對民航客機來說尤為重要。不過，歐洲人給ZEHST提出的速度目標是超過“協(xié)和”式客機的2倍，即最大可以達到4倍聲速。

為了達到4倍聲速的設計目標，ZEHST將內(nèi)部結構上分為三大部分，從機頭向后依次是機頭和駕駛艙段、增壓客艙段以及動力段，而動力段則集成了其高速飛行所依賴的全套動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括3種類型的7臺發(fā)動機，2臺傳統(tǒng)的航空噴氣發(fā)動機主要是在飛機起飛和降落時候使用，這樣就可以保證飛機能夠在正常的機場跑道上起降；飛機起飛升空后，機身后部的3臺低溫火箭發(fā)動機就會點火工作，推動飛機加速并爬升，最終使飛機加速到4倍聲速，飛行高度達到32千米；飛機達到既定的速度和高度之后，機翼下的2臺大推力沖壓火箭發(fā)動機開始工作，使飛機保持上述飛行高度和速度繼續(xù)前行，并到達目的地，然后使用2臺傳統(tǒng)的航空發(fā)動機實現(xiàn)著陸。據(jù)EADS提供的資料顯示，ZEHST以倫敦為出發(fā)地，到達土耳其需要30分鐘，抵達美國西海岸城市需要1小時，到達日本東京需要2小時，到澳大利亞悉尼也只需要3.5小時。

為了降低污染，ZEHST客機上的發(fā)動機使用的燃料主要有兩種，一種是用藻類制造的生物燃料，這是一種低碳燃料，排放物非常少，這種燃料主要用于2臺傳統(tǒng)的航空發(fā)動機；另一種是液氫液氧，主要用于5臺火箭發(fā)動機，排放物為水蒸氣，沒有污染。而為了解決超聲速飛行時產(chǎn)生的音爆，ZEHST選擇了飛得更高，其在起飛之后很短的時間內(nèi)就達到了32千米高度，即使在城市上空飛行，人們在地面上也很難聽到它的聲音，噪聲污染幾乎為零。不過，由于方案更為激進，各方面的技術指標更高，所以歐洲人認為ZEHST在2050年前后能投入使用就已經(jīng)不錯了。