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国防科普
超音速客机回归,要跨过几道技术门坎?
发布时间:2020-03-26   来源:科普中国-军事科技前沿 

      出品:科普中国

  作者:兰顺正

  策划:宋雅娟

  监制:光明网科普事业部

  在去年年底,据美国宇航局网站报道,经过30多年的研发,NASA的X-59大型有人驾驶安静超音速飞行器项目已经取得了进展,随后在华盛顿NASA总部召开的项目审核会议批准了该飞行器最后的组装工作。不难看出,该则消息意味着超音速客机或许将重新服务于大众。

  折戟的“协和号”

  提起超音速客机,首先想到的就是协和式飞机。该飞机在上世纪60年代由英法两国联合研制,为了适应超音速飞行,协和式飞机的机翼采用三角翼,机翼前缘为S形,无水平尾翼,专门研制的四台大推力的涡轮喷气发动机使其可以达到2180千米/小时(音速2倍)的高速。由于协和式飞机的巡航速度比晨昏线的移动速度更快,因此该飞机能够追上和超越地球的自转,如果是向西飞行的话,可以做到“出发前就到达”。1996年协和客机从英国伦敦飞往美国纽约的过程中创下了2小时52分钟59秒的最快飞行纪录。

                                     

“协和号”一度被称为比时间快的飞机

    不过,协和号虽然快,也存在着一些重大缺陷,如发动机的耗油率高、环保不达标、噪声过大等问题。2000年7月25日,法国航空公司AF4590航班的一架协和式飞机在巴黎戴高乐机场起飞后两分钟起火坠毁,造成机上109人以及地面4人丧生。经此一役,协和号一蹶不振,不久就退出了历史舞台。

  民用高超声速的“门槛”

  “协和号”虽然黯然退场,但是高速度对于人们出行和商务往来依然有着巨大吸引力,尤其是在全球化趋势愈发明显的今天。而超音速客机要想用之于民,有些门槛是必须要跨过的。

                                        

“音爆”会对地面的人与物造成不小的影响

  一方面是音爆,音爆是物体在空气中运动的速度突破音速时产生冲击波所引起的巨大响声。较强的地面音爆会影响生态环境和人类正常的生活工作,严重时甚至会破坏建筑物。据测试,上文中的协和客机在 16000米高空以两倍音速飞行时产生的音爆对地面产生的压强高达100帕,相当于给一块一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力,所以被美国、马来西亚等多个国家禁止在陆地上空作超声速飞行。因此新一代超音速客机需要解决的首要问题就是音爆。目前,音爆抑制技术主要有主动和被动两类。主动技术通过能量注入来抑制音爆,如通过激光脉冲的方式向超声速流场中注入能量,改变原本的激波结构,避免飞机各部件产生的激波相互叠加和干扰,以降低音爆强度。被动技术则以静音锥为代表,主要通过在机头安装若干可伸缩的圆锥体和圆柱体,通过使机头原本较强的弓形激波变为若干道弱激波,并避免声爆传播过程中出现激波叠加和干扰的方式来抑制音爆。

  另一方面是动力系统。目前,广泛应用于亚声速飞行的大涵道比涡扇发动机无法用于超声速飞行,而小涵道比涡扇或涡喷发动机,在起飞阶段噪声较大、亚声速飞行时耗油率偏高、污染物的排放量较多。为了解决这一矛盾,变循环发动机(VCE)概念应运而生。变循环发动机的独特之处在于可以改变发动机涵道比: 在起飞和亚声速飞行时,发动机涵道比增大,以涡扇发动机状态工作,降低耗油率和噪声。在爬升、加速和超声速飞行时,发动机涵道比减小,以接近涡喷发动机的性能,以增大推力。由于变循环发动机具有能够兼顾亚声速巡航低油耗和超声速巡航高推重比的优点,因此也是新一代超声速客机的关键技术之一。

  各大机构争相“开花”

  鉴于其巨大的商业潜力,相关的企业早已开始了新型超音速客机的研发。如在2016 年,美国Boom 公司就公布了其设计的超声速客机概念图——Overture,该飞机采用复合三角翼布局,机身由碳纤维材料制造,全长52 米,翼展 18 米,装备3 台推力为 67 ~ 89千牛的中涵道比涡轮风扇发动机,巡航速度 2.2 马赫,最大航程8300 公里,最多可搭载 55 名乘客。而除了 Boom 公司,波音也在一直不遗余力地推进超声速飞行器的研制。2018 年 6 月,在美国航空航天学会(AIAA)2018 年度航空峰会上,波音公司公开了一款高超声速民用飞机方案。波音表示,这款高超声速飞机的速度将达到5倍声速。鉴于近年来波音在研制高超声速飞行器方面成果显著(先后研制成功了最大飞行速度 9.8 马赫的X-43 和5.1 马赫的X-51),该公司的高超声速民用飞机项目也是值得期待的。

                                   

X-59想象图

  据悉,此次文章开头提到的X-59是NASA 的低声爆验证机项目,由洛克希德-马丁臭鼬工厂具体负责。该机采用单发设计,将模拟 80 ~ 100座级、Ma1.6 ~ 1.8 飞机的激波特征,其设计可以将到达地面的音爆声的响度降低到轻柔的重击声,相比协和号低了一半。将来X-59将飞越美国部分有人居住的地区,从地面上的传感器和人员那里收集数据,以评估公众的看法。这些数据将帮助监管机构制定新规则,以实现商业超音速飞机在陆地上空的飞行。

  据NASA的航空副主管表示,通过本次项目审核会,NASA展示了X-59项目运转正常,一切工作都已经依照计划按时完成。可以想象,随着新一代超音速客机技术逐渐取得突破,超音速旅行或许也为期不远。届时,这些“空中高铁”能够成倍地缩短飞行时间,大幅提高旅行效率,对于促进世界各国在经贸文化领域的交流与合作将会具有重大的现实意义。

  划重点:超音速客机曾一度风靡全球,但其自身的缺点也使之成为昙花一现。当今随着全球化的发展,超音速客机的商业潜力将被再度开发,而相应的降低音爆等技术的进步,则意味着这类“空中高铁”用之于民的日子已并不遥远了。(作者:兰顺正 远望智库特约研究员 察哈尔学会研究员 中国指挥与控制学会会员)