近日，美國航空公司宣布將從音爆公司（Boom）訂購20架超音速飛機(jī)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(jī)，顯然蘊(yùn)含了重啟超音速商業(yè)航空運(yùn)輸時代的厚重期望,。

早在上世紀(jì)40年代,，人類就實(shí)現(xiàn)了軍機(jī)的超音速飛行，可以說從那時候起,，人們就一直期望把超音速飛機(jī)應(yīng)用于民用航空,。然而幾十年的探索和挫折，證明其中的困難比預(yù)想要大得多,。我們邀請《航空知識》雜志主編王亞男來聊聊相關(guān)的話題,。

“序曲”設(shè)計(jì)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(jī)用于商業(yè)運(yùn)輸,，對于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,，地球終于從一個碩大的物理球體被商用噴氣飛機(jī)縮小成了地球村。在軍用飛機(jī)早已突破音速甚至可以達(dá)到接近3倍音速的當(dāng)下,，讓商用客機(jī)突破音障以更高的速度飛行在技術(shù)上早已不是難題,，問題在于超音速客機(jī)必須同時具有良好的靜音性和經(jīng)濟(jì)性，這才是真正的挑戰(zhàn),。

2003年,，英法合作研制的“協(xié)和”超音速客機(jī)結(jié)束了最后一次商業(yè)飛行，從此淡出航運(yùn)舞臺,。這標(biāo)志著人類商業(yè)航空向超音速發(fā)起首次嘗試的黯然結(jié)局,。

而在20世紀(jì)60年代，超音速商用客機(jī)曾是全球航空運(yùn)輸界寄予厚望的新星,。這一時期,，英法兩國斥巨資研制的“協(xié)和”飛機(jī)成為最為耀眼的代表；蘇聯(lián)不甘落后,，圖波列夫設(shè)計(jì)局迅速開發(fā)成功圖-144超音速客機(jī),；美國政府也認(rèn)為超音速客機(jī)可能成為全球航運(yùn)競爭的新焦點(diǎn)，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(biāo)的計(jì)劃,，最終選中了波音公司的2707項(xiàng)目。雖然該項(xiàng)目因?yàn)榧夹g(shù)問題過多和預(yù)算嚴(yán)重超支最終下馬,，但這并不妨礙當(dāng)時美國對這一領(lǐng)域的樂觀期盼,。

蘇聯(lián)圖-144由于技術(shù)問題和可靠性原因，只在蘇聯(lián)境內(nèi)進(jìn)行了極短的運(yùn)營就宣告退出歷史舞臺,。唯一投入跨大西洋商業(yè)運(yùn)營的“協(xié)和”也沒有風(fēng)光多久,，很快就暴露出噪音大、經(jīng)濟(jì)性差,、運(yùn)營成本高等問題,。

超音速飛機(jī)使用的超音速發(fā)動機(jī)原本耗油率就較大，如果飛行全程都保持超音速,，經(jīng)濟(jì)性還勉強(qiáng)可以接受,，但是傳統(tǒng)超聲速飛機(jī)飛過頭頂?shù)母杏X的確很糟糕：那不僅會產(chǎn)生巨大噪音，還會導(dǎo)致劇烈振動,。飛機(jī)在空氣中飛行會產(chǎn)生向四周擴(kuò)散的聲波,，在亞聲速飛行狀態(tài)下，聲波的傳播不構(gòu)成麻煩,，但當(dāng)飛機(jī)超越聲速的時候,，問題就來了,。飛機(jī)引起的聲波（其實(shí)就是振動的空氣層）由于跑不過飛機(jī)，會快速在飛機(jī)前方相遇并疊加,，振動能量劇增并呈錐面分布,，這種振動波就是音爆激波。如果是低空飛行,，它甚至能震碎建筑物的玻璃,。

當(dāng)歐美各國政府都意識到這種等級的噪音會引起居民強(qiáng)烈反對后，便紛紛要求“協(xié)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(dá)大洋上空時才可以火力全開。這樣一來就意味著“協(xié)和”有相當(dāng)一段航程只能做亞音速飛行,，而“協(xié)和”使用的發(fā)動機(jī)在亞音速飛行時燃油經(jīng)濟(jì)性更加糟糕,，這等于進(jìn)一步惡化了“協(xié)和”的經(jīng)濟(jì)性。由此帶來的一個直接結(jié)果,，是當(dāng)年所有乘坐“協(xié)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(dá)數(shù)千美元令人咋舌的票價。

在“協(xié)和”投入運(yùn)營的時代,，以翼吊式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)為主要特征的高亞音速商用客機(jī),，憑借在速度、航程和經(jīng)濟(jì)性三者間極佳的平衡性設(shè)計(jì)成為主流,，占據(jù)了商業(yè)運(yùn)輸市場的主要份額,，進(jìn)一步壓縮了“協(xié)和”的生存空間。這一切,，最終導(dǎo)致了“協(xié)和”的謝幕。

“協(xié)和”超音速客機(jī)

（2）“序曲”能卷土重來嗎

從航空動力技術(shù)上說,，通過使用渦扇技術(shù)和更高效的發(fā)動機(jī)內(nèi)外流場設(shè)計(jì),，燃油經(jīng)濟(jì)性有望得到顯著提高；而激波噪音問題則必須通過優(yōu)化機(jī)體外形設(shè)計(jì)才可能實(shí)現(xiàn),，其中涉及到激波產(chǎn)生機(jī)理和匯集擴(kuò)散規(guī)律等深層次問題,，試錯所需的成本和時間都相當(dāng)可觀。

音爆公司的“序曲”采用了比較保守的概念,?！靶蚯钡娘w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(jīng)能夠讓乘客在6小時內(nèi)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(yùn)營成本更具吸引力——將比亞音速寬體客機(jī)更低。音爆公司認(rèn)為“序曲”運(yùn)營后,，從紐約到倫敦的往返票價大約為5000美元,，而早年“協(xié)和”的票價高達(dá)20000美元。音爆公司宣稱全球有500條航線都需要超音速客機(jī),，市場需求總量可達(dá)1000架,。

研制這樣的飛機(jī)并不容易，據(jù)估計(jì),，研發(fā)制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(shè)計(jì)和木制模型,。最初方案采用兩臺發(fā)動機(jī),，可容納40名乘客。同年10月,，原設(shè)計(jì)被加長到47米,，翼展也相應(yīng)加長，客座數(shù)量增加到50個,，發(fā)動機(jī)也增加到3臺,。之后，“序曲”投入使用的計(jì)劃一再推遲,，如今的時間節(jié)點(diǎn)定在了2030年,。

音爆公司已經(jīng)完成的縮比三分之一的XB-1驗(yàn)證機(jī)可謂是“序曲”的序曲，它采用三臺通用電氣J85噴氣發(fā)動機(jī),，負(fù)責(zé)來驗(yàn)證“序曲”的噪音技術(shù)和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性,。但是以XB-1的外形特征來分析，在實(shí)際飛行中它能否實(shí)現(xiàn)音爆公司的設(shè)計(jì)目標(biāo),，目前仍存在不少疑問,。

前面說到的美國航空公司的訂單并不是音爆公司的首筆訂單，早在2021年6月,，另一位美國商業(yè)航空巨頭級企業(yè)聯(lián)合航空公司已經(jīng)與該公司簽訂協(xié)議,，購買15架“序曲”。另外有消息說,，日本航空公司也有采購意向,，已經(jīng)預(yù)訂了20架。

從商業(yè)規(guī)則上說,，目前這些訂單仍然只能算是意向訂單,，因?yàn)楦骱娇掌髽I(yè)預(yù)定的“序曲”至今尚未完成研制，他們只是根據(jù)音爆公司的產(chǎn)品研發(fā)目標(biāo)和市場定位描述決定訂購，但是這種意向仍然可以說比較強(qiáng)烈,，并且需要支付定金,。

XB-1驗(yàn)證機(jī)

（3）古怪外形挑戰(zhàn)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(lián)合制造的X-59“安靜超音速運(yùn)輸機(jī)”驗(yàn)證機(jī)目前已經(jīng)總裝完畢,，正在進(jìn)行各項(xiàng)測試和調(diào)試，按計(jì)劃將在2022年實(shí)現(xiàn)首飛,。

這架長30米,、重10噸的外形古怪的飛機(jī)將通過飛行測試來挑戰(zhàn)超音速客機(jī)的降噪難題。當(dāng)年的“協(xié)和”產(chǎn)生的激波噪音水平是105分貝,，大致相當(dāng)于近距離的雷鳴,。從2003年“協(xié)和”徹底謝幕至今，19個年頭過去,，如今X-59將挑戰(zhàn)一項(xiàng)前所未有的超音速音爆激波噪音水平——75分貝,，大致相當(dāng)于在6米遠(yuǎn)距離上聽到的大力關(guān)車門聲?！斑@一水平僅相當(dāng)于'協(xié)和’的1/9至1/6”,，NASA低音爆飛行驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目副主任戴維·里奇韋恩表示，“我們努力讓飛機(jī)產(chǎn)生振幅更低更溫和的激波,，也盡力讓激波能夠更緩慢地疊加形成,，這樣就不會產(chǎn)生過去超音速飛機(jī)那樣強(qiáng)烈的音爆激波噪聲”。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，工程技術(shù)人員做了大量計(jì)算機(jī)空氣動力學(xué)仿真試驗(yàn),，據(jù)此設(shè)計(jì)了X-59全機(jī)外形，那個細(xì)長如遠(yuǎn)古生物般的長鼻子就是復(fù)雜模擬建模的結(jié)果,。從比例上說,，X-59的鼻子比“協(xié)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(shù)人員可以通過外部視景系統(tǒng)結(jié)合艙內(nèi)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(xié)和”那樣采用可上下偏轉(zhuǎn)活動的機(jī)首,，簡化了結(jié)構(gòu),，減輕了重量。

美國航空航天局在X-59項(xiàng)目上花費(fèi)了2.47億美元,，如果該項(xiàng)目進(jìn)展順利,，那將證明超音速飛行與低音爆噪音并非絕對不可調(diào)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(jī)構(gòu)解除原有禁令,，重新允許超音速飛機(jī)在內(nèi)陸人口稠密地區(qū)超音速飛行,。在過去,，“協(xié)和”只能在海上才被允許趕超音速，這意味著它的全航程經(jīng)濟(jì)性根本無法保證,，因?yàn)椤皡f(xié)和”在亞音速狀態(tài)下是鯨吞牛飲的燒錢機(jī)器,。一旦X-59能憑借音爆抑制技術(shù)打破這一禁令，這將意味著超音速商業(yè)航運(yùn)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?xí)y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(xiāng)村,，居民們聽到的也不過是一聲并不刺耳的悶響。若挑戰(zhàn)75分貝成功,，未來就可以運(yùn)用X-59的相關(guān)技術(shù)開發(fā)更大的120座級商用噴氣客機(jī),。

X-59驗(yàn)證機(jī)激波模擬圖像

圖片由王亞男提供