超音速客機真要「返航」了嗎

轉自：北京日報客户端

近日，美國航空公司宣佈將從音爆公司（Boom）訂購20架超音速飛機Overture，這一名稱翻譯成中文是「序曲」的含義。音爆公司這樣來命名自己的超音速商用飛機，顯然藴含了重啟超音速商業航空運輸時代的厚重期望。

早在上世紀40年代，人類就實現了軍機的超音速飛行，可以説從那時候起，人們就一直期望把超音速飛機應用於民用航空。然而幾十年的探索和挫折，證明其中的困難比預想要大得多。我們邀請《航空知識》雜誌主編王亞男來聊聊相關的話題。

「序曲」設計方案效果圖

（1）商用因暴烈噪音折戟

自從100多年前人類開始將飛機用於商業運輸，對於速度的追求就從來沒有停止過。從最初的每小時一兩百公里，到今天的每小時近千公里，地球終於從一個碩大的物理球體被商用噴氣飛機縮小成了地球村。在軍用飛機早已突破音速甚至可以達到接近3倍音速的當下，讓商用客機突破音障以更高的速度飛行在技術上早已不是難題，問題在於超音速客機必須同時具有良好的靜音性和經濟性，這纔是真正的挑戰。

2003年，英法合作研製的「協和」超音速客機結束了最后一次商業飛行，從此淡出航運舞臺。這標誌着人類商業航空向超音速發起首次嘗試的黯然結局。

而在20世紀60年代，超音速商用客機曾是全球航空運輸界寄予厚望的新星。這一時期，英法兩國斥巨資研製的「協和」飛機成為最為耀眼的代表；蘇聯不甘落后，圖波列夫設計局迅速開發成功圖-144超音速客機；美國政府也認為超音速客機可能成為全球航運競爭的新焦點，投入大筆資金，制定波音和洛克希德等著名航空公司參與競標的計劃，最終選中了波音公司的2707項目。雖然該項目最終因為技術問題過多和預算嚴重超支最終下馬，但這並不妨礙當時美國對這一領域的樂觀期盼。

蘇聯圖-144由於技術問題和可靠性原因，只在蘇聯境內進行了極短的運營就宣告退出歷史舞臺。唯一投入跨大西洋商業運營的「協和」也沒有風光多久，很快就暴露出噪音大、經濟性差、運營成本高等問題。

超音速飛機使用的超音速發動機原本耗油率就較大，如果飛行全程都保持超音速，經濟性還勉強可以接受，但是傳統超聲速飛機飛過頭頂的感覺的確很糟糕：那不僅會產生巨大噪音，還會導致劇烈振動。飛機在空氣中飛行會產生向四周擴散的聲波，在亞聲速飛行狀態下，聲波的傳播不構成麻煩，但當飛機超越聲速的時候，問題就來了。飛機引起的聲波（其實就是振動的空氣層）由於跑不過飛機，會快速在飛機前方相遇併疊加，振動能量劇增並呈錐面分佈，這種振動波就是音爆激波。如果是低空飛行，它甚至能震碎建築物的玻璃。

當歐美各國政府都意識到這種等級的噪音會引起居民強烈反對后，便紛紛要求「協和」不得在陸地上空飛行時超越音速，只能在飛出海岸線，到達大洋上空時纔可以火力全開。這樣一來就意味着「協和」有相當一段航程只能做亞音速飛行，而「協和」使用的發動機在亞音速飛行時燃油經濟性更加糟糕，這等於進一步惡化了「協和」的經濟性。由此帶來的一個直接結果，是當年所有乘坐「協和」的乘客在享受2倍音速飛越大西洋疾馳之旅的同時，不得不面對高達數千美元令人乍舌的票價。

在「協和」投入運營的時代，以翼吊式渦輪風扇發動機為主要特徵的高亞音速商用客機，憑藉在速度、航程和經濟性三者間極佳的平衡性設計成為主流，佔據了商業運輸市場的主要份額，進一步壓縮了「協和」的生存空間。這一切，最終導致了「協和」的謝幕。

「協和」超音速客機

（2）「序曲」能捲土重來嗎

從航空動力技術上説，通過使用渦扇技術和更高效的發動機內外流場設計，燃油經濟性有望得到顯著提高；而激波噪音問題則必須通過優化機體外形設計纔可能實現，其中涉及到激波產生機理和匯集擴散規律等深層次問題，試錯所需的成本和時間都相當可觀。

音爆公司的「序曲」採用了比較保守的概念。「序曲」的飛行速度限定在1.7倍音速，但是即便如此，也足以把紐約到倫敦的飛行時間縮短到3個半小時，紐約到法蘭克福之間只需要4小時。雖然8300公里的航程讓「序曲」需要中途落地加油一次才能飛越太平洋，但這已經能夠讓乘客在6小時內從舊金山飛到東京。

音爆公司希望把「序曲」的價格控制在2億美元，而「序曲」的客座運營成本更具吸引力——將比亞音速寬體客機更低。音爆公司認為「序曲」運營后，從紐約到倫敦的往返票價大約為5000美元，而早年「協和」的票價高達20000美元。音爆公司宣稱全球有500條航線都需要超音速客機，市場需求總量可達1000架。

研製這樣的飛機並不容易，據估計，研發製造和適航審定投資總額為60億美元。2016年3月，音爆公司完成了三角翼概念設計和木製模型。最初方案採用兩臺發動機，可容納40名乘客。同年10月，原設計被加長到47米，翼展也相應加長，客座數量增加到50個，發動機也增加到3台。之后，「序曲」投入使用的計劃一再推迟，如今的時間節點定在了2030年。

音爆公司已經完成的縮比三分之一的XB-1驗證機可謂是「序曲」的序曲，它採用三臺通用電氣J85噴氣發動機，負責來驗證「序曲」的噪音技術和運營經濟性。但是以XB-1的外形特徵來分析，在實際飛行中它能否實現音爆公司的設計目標，目前仍存在不少疑問。

前面説到的美國航空公司的訂單並不是音爆公司的首筆訂單，早在2021年6月，另一位美國商業航空巨頭級企業聯合航空公司已經與該公司簽訂協議，購買15架「序曲」。另外有消息説，日本航空公司也有采購意向，已經預訂了20架。

從商業規則上説，目前這些訂單仍然只能算是意向訂單，因為各航空企業預定的「序曲」至今尚未完成研製，他們只是根據音爆公司的產品研發目標和市場定位描述決定訂購，但是這種意向仍然可以説比較強烈，並且需要支付定金。

XB-1驗證機

（3）古怪外形挑戰降噪難題

在解決超音速飛行噪音問題方面，美國航空航天局（NASA）花了不少心思。美國航空航天局和洛馬公司聯合制造的X-59「安靜超音速運輸機」驗證機目前已經總裝完畢，正在進行各項測試和調試，按計劃將在2022年實現首飛。

這架長30米、重10噸的外形古怪的飛機將通過飛行測試來挑戰超音速客機的降噪難題。當年的「協和」產生的激波噪音水平是105分貝，大致相當於近距離的雷鳴。從2003年「協和」徹底謝幕至今，19個年頭過去，如今X-59將挑戰一項前所未有的超音速音爆激波噪音水平——75分貝，大致相當於在6米遠距離上聽到的大力關車門聲。「這一水平僅相當於‘協和’的1/9至1/6」，NASA低音爆飛行驗證機項目副主任戴維•里奇韋恩表示，「我們努力讓飛機產生振幅更低更温和的激波，也盡力讓激波能夠更緩慢地疊加形成，這樣就不會產生過去超音速飛機那樣強烈的音爆激波噪聲」。

爲了實現這一目標，工程技術人員做了大量計算機空氣動力學仿真試驗，據此設計了X-59全機外形，那個細長如遠古生物般的長鼻子就是複雜模擬建模的結果。從比例上説，X-59的鼻子比「協和」的還長。雖然長鼻子能有效抑制激波，但也帶來了新問題，那就是座艙里的飛行員無法擁有良好的前方視野，為此技術人員可以通過外部視景系統結合艙內高分辨率顯示器來解決這個問題。這樣一來，X-59就不必像「協和」那樣採用可上下偏轉活動的機首，簡化了結構，減輕了重量。

美國航空航天局在X-59項目上花費了2.47億美元，如果該項目進展順利，那將證明超音速飛行與低音爆噪音並非絕對不可調和的矛盾。這樣美國航空航天局就有望推動美國航空管理機構解除原有禁令，重新允許超音速飛機在內陸人口稠密地區超音速飛行。在過去，「協和」只能在海上才被允許趕超音速，這意味着它的全航程經濟性根本無法保證，因為「協和」在亞音速狀態下是鯨吞牛飲的燒錢機器。一旦X-59能憑藉音爆抑制技術打破這一禁令，這將意味着超音速商業航運的大門有望重新開啟。

如果成功，X-59飛過繁忙的城市時，大部分居民甚至會難以覺察到他們頭頂有人正以超越音速的速度疾速飛行。即便在靜謐的鄉村，居民們聽到的也不過是一聲並不刺耳的悶響。若挑戰75分貝成功，未來就可以運用X-59的相關技術開發更大的120座級商用噴氣客機。

X-59驗證機激波模擬圖像

圖片由王亞男提供

來源：北京日報客户端 記者 王鴻良

流程編輯：u028