超音速客機(jī)：何時(shí)能夠到來(lái)？

 在1947年，美國(guó)空軍上尉就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超音速飛行。之后超音速飛機(jī)成了各國(guó)空軍爭(zhēng)相研發(fā)的飛機(jī)。然而超音速客機(jī)卻難以獲得成功。歷史上曾有過(guò)一家超音速客機(jī)。法國(guó)的協(xié)和超音速客機(jī)。最終這架超音速客機(jī)因?yàn)樵胍魡?wèn)題無(wú)法解決而停止了繼續(xù)生產(chǎn)。自此超音速客機(jī)也被束之高閣。

近日空中客車(chē)公司曝光了一款超音速客機(jī)方案，引發(fā)了人們對(duì)超音速旅行的期待?？湛秃筒ㄒ衄F(xiàn)有的商業(yè)客機(jī)都屬于亞音速航空器，而此前能實(shí)現(xiàn)超音速飛行的協(xié)和與圖-144客機(jī)都已經(jīng)退役。值得注意的是，這款超音速客機(jī)在美國(guó)專(zhuān)利和商標(biāo)局進(jìn)行了專(zhuān)利申請(qǐng)，說(shuō)明空客方面的設(shè)計(jì)方案與波音、美國(guó)宇航局的設(shè)計(jì)存在許多不同點(diǎn)。亮點(diǎn)在于，他們使用了組合式動(dòng)力系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)最快4.5馬赫的超音速飛行。這意味著從倫敦飛紐約這樣的跨大西洋航線，只要一個(gè)小時(shí)就能夠完成。

空客超音速客機(jī)有點(diǎn)兒丑

空客超音速客機(jī)方案的亮點(diǎn)在于使用了非常醒目的三角翼。從上方看，有點(diǎn)兒像巨大的龜背。三角翼的設(shè)計(jì)在幾款大型超音速航空器中非常普遍，比如協(xié)和式客機(jī)、圖-144以及XB-70等。NASA格倫研究中心透露出的幾種超音速方案，基本都使用了三角翼及其延伸氣動(dòng)布局?？湛凸镜膶?zhuān)利申請(qǐng)文件中也詳細(xì)寫(xiě)明了使用上單翼布局的哥特式三角翼，還有特殊設(shè)計(jì)的安定翼面，構(gòu)成了這款超音速客機(jī)的基本架構(gòu)。

作為空客全球的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，波音也正在醞釀超音速客機(jī)。在波音的戰(zhàn)略中，不僅有大型超音速客機(jī)，還有迷你型的超音速公務(wù)機(jī)，能夠滿(mǎn)足不同收入人群的需求?？傮w上看，波音公開(kāi)的幾款風(fēng)洞模型在外形上都非常前衛(wèi)，有的還使用了前置鴨翼。下圖顯示的是美國(guó)宇航局格倫研究中心中，一種設(shè)計(jì)方案在8英尺×6英尺超音速風(fēng)洞中正在進(jìn)行吹風(fēng)。空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家可對(duì)這款氣動(dòng)進(jìn)行評(píng)估，尤其是超音速氣流在吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的變化。

NASA格倫研究中心8×6英尺的超音速風(fēng)洞中正在吹風(fēng)的超音速客機(jī)方案。圖片來(lái)源：NASA

動(dòng)力系統(tǒng)別出心裁

空客的方案之所以有點(diǎn)丑，原因除了有一副巨大的三角翼安置在渾圓的機(jī)身上方外，還有錯(cuò)綜復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)。根據(jù)空客方案的圖注，這款超音速客機(jī)上有3種不同的動(dòng)力，分別為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)。3種發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行剖面的各個(gè)階段有著各自的工作時(shí)間，比如當(dāng)客機(jī)起飛時(shí)，使用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，抵達(dá)音速時(shí)由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)，高度爬升至3萬(wàn)米。此時(shí)客機(jī)已經(jīng)處于超音速飛行狀態(tài)，之后會(huì)啟動(dòng)沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)，以4.5馬赫的巡航速度飛行。

為了滿(mǎn)足3種動(dòng)力銜接使用，空客這款超音速客機(jī)的機(jī)身顯得相當(dāng)臃腫，與波音的方案體現(xiàn)出的優(yōu)美曲線形成了鮮明對(duì)比。更重要的是，3種發(fā)動(dòng)機(jī)需要完美配合才能實(shí)現(xiàn)一次成功的超音速之旅，這就增加了動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜性。一旦某個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，就得放棄超音速飛行，甚至增加了飛行的危險(xiǎn)性。況且機(jī)身中部放置一個(gè)巨大的氫燃料箱，不知前面的乘客是何種感想。

空客方案使用了3種發(fā)動(dòng)機(jī)，分別為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力系統(tǒng)較為復(fù)雜。圖片來(lái)源bbc.com

超音速客機(jī)研發(fā)遇到的難題

協(xié)和式客機(jī)退出舞臺(tái)的原因之一是噪聲問(wèn)題，這也是當(dāng)前超音速客機(jī)研發(fā)的技術(shù)瓶頸之一。美國(guó)本土目前仍然禁止商業(yè)超音速飛行，隨著城市擴(kuò)張，民用機(jī)場(chǎng)已經(jīng)非常接近城區(qū)，超音速飛行產(chǎn)生的音爆對(duì)地面的影響不容忽視，因此協(xié)和式客機(jī)只能執(zhí)行大西洋航線，反正在海上產(chǎn)生音爆也沒(méi)人抗議。目前NASA資助的幾個(gè)超音速飛行項(xiàng)目以攻克音爆為主要方向，比如威爾實(shí)驗(yàn)室的湍流對(duì)超音速飛行音爆形成的影響、霍尼韋爾公司的減緩音爆技術(shù)等。

美國(guó)宇航局的音爆解決方案與空客的有些區(qū)別，前者使用了針狀鼻錐和先進(jìn)的機(jī)體蒙皮來(lái)控制噪音，而在空客公布的想象圖上，并沒(méi)有看到類(lèi)似NASA的音爆抑制方法。此外，麻省理工還對(duì)超音速客機(jī)巡航對(duì)平流層的影響進(jìn)行研究，涉及到高空排放問(wèn)題。軍用超音速飛行器在巡航過(guò)程中一般較少進(jìn)行超音速飛行，而商業(yè)客機(jī)一旦具備超音速飛行能力，那么這條航線上噪聲和大氣排放問(wèn)題將變得更加突出。

NASA測(cè)試的安靜飛行技術(shù)示范，在試驗(yàn)機(jī)雷達(dá)罩前安裝前伸裝置，減少超聲速飛行時(shí)產(chǎn)生的初始沖擊波。圖片來(lái)源：NASA

到目前為止，開(kāi)發(fā)下一代超音速客機(jī)的計(jì)劃仍然集中在美國(guó)和歐洲?？湛偷某羲倏蜋C(jī)方案載客量較低，僅為20人，面向?qū)绱笪餮箫w行有著強(qiáng)烈時(shí)間緊迫感的商務(wù)人士。美歐之外，俄羅斯也有超音速客機(jī)的研發(fā)計(jì)劃。俄羅斯中央空氣流體力學(xué)研究院與蘇霍伊設(shè)計(jì)局聯(lián)合推出了SBJ/ SPJ項(xiàng)目，擁有20座和80座的不同版本，巡航速度1.8馬赫。

不過(guò)，這些超音速客機(jī)的方案仍然處于研發(fā)階段，NASA、波音以及洛克希德·馬丁的幾個(gè)概念方案已經(jīng)進(jìn)入風(fēng)洞測(cè)試，空客和俄羅斯的進(jìn)展相對(duì)緩慢。保守估計(jì)第一架超音速客機(jī)的原型機(jī)在2020年前出現(xiàn)的可能性不大，至少要等10至15年之后了。