洛馬靜音超聲速客機方案分析

■ 張啟軍 李明/中國航發(fā)研究院

6月19日，洛克希德-馬丁（洛馬）公司在達拉斯舉辦的美國航空航天學會航空論壇（AIAA Aviation Forum）上，公布了一個馬赫數(shù)（Ma）1.8的靜音超聲速客機方案。與早期的超聲速運輸（SST）項目有所不同，此方案集成了新的設計、推進、空氣空力學和系統(tǒng)等方面的使能技術(shù)，可搭載40人，能很經(jīng)濟地運行在跨太平洋的航線上，同時能破解擊敗“協(xié)和”號超聲速客機的聲爆和機場噪聲問題。

方案特點

洛馬公司的靜音超聲速客機方案采用了大后掠角三角翼、長機體、V形尾翼的布局。機體長68.58m，翼展為22.25m，與“協(xié)和”號相比，機體在整體上更細長但翼展略小，其中頭部長約21m，客艙位于機體中間，約24m。兩臺渦扇發(fā)動機安裝在飛機尾背，進氣道被三角翼遮擋，可屏蔽進口激波，降低噪聲；單臺發(fā)動機的推力為178kN。

新方案在設計上很大程度得益于X-59驗證機，并利用了美國國家航空航天局（NASA）先期N+2靜音超聲速計劃的研究成果。后者首次驗證了低聲爆可以與良好的超聲速巡航升阻比設計相兼容，并確定了X-59驗證機和該方案的基本構(gòu)型。

X-59是NASA“低聲爆飛行驗證”項目誕生的“安靜超聲速運輸”（QueSST）驗證機，由洛馬公司的臭鼬工廠負責，于2016年開始設計，2018年開始制造，計劃2021年首飛。洛馬公司將借以收集社區(qū)測試飛行數(shù)據(jù)，了解聲爆的可接受性；幫助NASA建立一個可接受的商業(yè)超聲速噪聲標準，以改變美國禁止超聲速民機在陸地上空飛行的法規(guī)，這也是超聲速客機商業(yè)運行的先決條件。洛馬公司的X-59項目負責人表示，公司已擁有能夠大幅降低聲爆的技術(shù)，通過重塑聲爆使之安靜下來。

細長型超聲速客機概念設計（來源：洛馬公司）

洛馬公司40座靜音超聲速客機概念（前）利用了X-59驗證機成果（后）（來源：洛馬公司）

X-59驗證機（來源：NASA）

市場分析

洛馬公司對超聲速運輸市場開展了分析，建立了一系列基本要求，包括航程、起飛距離、載容量、超聲速巡航起始時聲爆強度、陸地上空和水面上空巡航馬赫數(shù)、機場噪聲等。其中，航程最小值設定在7778km，洛馬公司認為這足以滿足大多數(shù)的城市對之間的飛行；而當航程設定在9816km時，則能實現(xiàn)跨太平洋的不間斷飛行，輕松覆蓋紐約—倫敦、東京—洛杉磯、倫敦—北京、東京—悉尼等航線；起飛場長為2900～3200m。在參考“協(xié)和”號、研究市場需求和載荷等因素后，發(fā)現(xiàn)載客量最佳值是40人。目前，聲爆強度定在低于80感知分貝水平（PLdB），但實際能否實現(xiàn)，還有待X-59的社區(qū)測試結(jié)果。對于陸地上空巡航馬赫數(shù)，洛馬公司的設計被優(yōu)化到Ma1.7或者略高，Ma1.6或更低的速度對飛機的利用率和飛行效率不利。對于水面上空飛行，首選是Ma1.7或略高，但超過Ma1.8時，會嚴重影響聲爆強度。

使能技術(shù)

為滿足以上需求，洛馬公司采用了4項關(guān)鍵的使能技術(shù)：聲爆塑形（shaped-boom）設計、低噪聲集成推進系統(tǒng)、超聲速自然層流（NLF）后掠翼以及座艙內(nèi)可視的外部視景系統(tǒng)（XVS）。

靜音超聲速客機設計特點（來源：洛馬公司）

洛馬公司超聲速客機主要航線及省時估計

靜音超聲速客機框架結(jié)構(gòu)（來源：洛馬公司）

聲爆塑形設計

該技術(shù)的成熟是洛馬公司當前選擇發(fā)展超聲速客機的關(guān)鍵因素之一，X-59設計采用的工具與方法可以100%移植其中。20年前，聲爆強度只能控制在85～90 PLdB；10年前，也沒有真正實現(xiàn)低聲爆，但研究工作一直在持續(xù)。就在洛馬公司與NASA合作開發(fā)N+2計劃時，對降低聲爆，以及減小影響超聲速巡航效率的研究都取得了較大的進展。計算流體力學（CFD）的進步能夠精確模擬流場，新的工具能夠探索復雜三維流動擾動。同時，新的優(yōu)化器提供了一種快速識別設計是否可行的方法。這些工具當時應用于一個Ma1.5～1.7、35～70座的飛機，其聲爆強度為85 PLdB，機場可感噪聲比第四階段低12dB，所有這些指標都與洛馬公司當前的方案接近。

低噪聲集成推進系統(tǒng)

該技術(shù)主要解決機場噪聲問題，對未來超聲速商業(yè)飛行能否被接受至關(guān)重要，現(xiàn)有的貨架發(fā)動機無法滿足需求。經(jīng)過十多年基礎性研究，洛馬公司建構(gòu)了許多“積木”式模塊，發(fā)現(xiàn)將其集成起來，可得到滿足需求的推進系統(tǒng)。主要包括先進的氣動塞式噴管、噪聲屏蔽設計以及能在進口湍流下高效工作的抗扭曲風扇葉片。

進氣道采用了“流線跟蹤的外部壓縮”（STEX）設計，NASA經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，它能夠引導激波從進口溢出并遠離飛機，提供噪聲屏蔽且降低聲爆。STEX設計針對Ma1.6或略高值進行了優(yōu)化，融合了外部超聲壓縮和內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道，與傳統(tǒng)軸對稱錐形進氣道相比，能夠產(chǎn)生低阻力的外罩角。進氣道前緣呈斜切割狀，能將結(jié)尾激波控制在唇口，亞聲速溢流固定在唇口的一小部分；該切割特征使進氣道與飛機一體化，可控制溢流與上翼面的相互作用。小的外罩角和固定位置的亞聲速溢流還能降低導致聲爆的外部壓力擾動。但STEX設計也面臨一些挑戰(zhàn)，仍需繼續(xù)研究。例如，測試發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)軸對稱錐形進氣道相比，結(jié)尾激波和邊界層的相互作用導致總壓恢復較低，潛在的解決辦法包括增加喉部放氣或者引入渦流發(fā)生器。

推進系統(tǒng)將采用當前先進大涵道比渦扇發(fā)動機核心機，匹配一套新研制的低壓系統(tǒng)。就風扇而言，對于高效的超聲速飛行，風扇尺寸要小且壓比高；但對于低噪聲，風扇則要求大尺寸和壓比低。就此，洛馬公司宣稱已有解決方案，使飛機在起降、超聲速巡航時都能良好表現(xiàn)。

超聲速自然層流后掠翼技術(shù)

通過設計具有合理壓力梯度的機翼，可以得到自然層流（NLF），延遲層流到湍流的轉(zhuǎn)捩。以前，NLF機翼主要應用于小型飛機或小后掠角的設計。洛馬公司當前面臨的困難是隨機翼后掠角的增大，三維流場變得容易對一種邊界層不穩(wěn)定較為敏感，也稱為橫向渦流不穩(wěn)定，導致邊界層在靠近機翼前緣處就變成湍流。雖然洛馬公司與Aerion公司針對AS2超聲速客機，合作研究過層流機翼，但該技術(shù)對當前的低噪聲和聲爆塑形設計并不適用。

目前，NLF的技術(shù)成熟度仍非常低，但潛力巨大。洛馬公司表示，NASA在過去幾年開展了大量超聲速自然層流大后掠翼研究，對實現(xiàn)飛行目標至關(guān)重要，其核心是降低阻力而不犧牲聲爆塑形特征。

座艙內(nèi)的外部視景系統(tǒng)

大后掠翼的特點決定飛機在起降時采用大迎角，導致駕駛艙視野被長長的機頭遮擋?！皡f(xié)和”號的應對策略是采用下垂式機頭設計，但洛馬公司利用現(xiàn)代技術(shù)優(yōu)勢，避免了復雜結(jié)構(gòu)和質(zhì)量增加。外部視景系統(tǒng)（XVS）由NASA專為X-59驗證機開發(fā)，帶有安裝在機頭上表面的前視4K高清攝像系統(tǒng)，同時配合使用雙攝像頭多光譜紅外增強視覺系統(tǒng)（EVS）。

主要超聲速客機概念方案對比

X-59駕駛艙內(nèi)高清顯示系統(tǒng)（來源：洛馬公司）

綜合分析

超聲速飛行早非新鮮事物，畢竟先進戰(zhàn)斗機已經(jīng)實現(xiàn)了無加力超聲速巡航，而且“協(xié)和”號十多年前已開展過商業(yè)運行；但考慮低噪聲、經(jīng)濟、安全、高效等嚴格要求，民用超聲速運輸對人類仍是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。

除洛馬公司外，還有多家公司相繼推出了各自的超聲速客機概念，老牌公司如波音，初創(chuàng)公司如Spike、Boom、Aerion等，各方案均有不同，但動力系統(tǒng)始終是飛行的關(guān)鍵，對飛機性能起決定性作用，超聲速客機尤為如此。這些方案的速度多在Ma1.8左右，動力仍采用傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機?，F(xiàn)有渦扇發(fā)動機基本無法滿足需求，均須重新研發(fā)以適應高速、大推力、經(jīng)濟、低噪聲的使用要求。除相對低速的AS2項目已有明確動力并發(fā)布計劃外，其余方案只是提出了對動力的需求與基本設想，未來的發(fā)展仍不太明朗。

雖然近幾年發(fā)布了多個方案，但各家出發(fā)點并不相同：初創(chuàng)類公司是想通過另辟蹊徑、創(chuàng)造新需求，在絕對壟斷、難以進入的民機市場中開辟新市場，進而分羹；但老牌航空科技公司，則更多是不愿看到有人搶食，被迫跟上，如洛馬公司很可能是考慮X-59項目進展良好，提前開展市場布局，盡早轉(zhuǎn)化項目成果。

相比洛馬公司、NASA等持續(xù)開展基礎性研究，通過技術(shù)推動超聲速客機發(fā)展，市場的需求牽引則更為重要。如果AS2項目成功，受市場追捧，相信會有更多的制造商加入，而諸如洛馬、波音、空客等實力雄厚的公司，則會迅速將技術(shù)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品，搶占新興市場。