解超級聲爆

錢錕

超級聲爆危害大

我們知道，飛機(jī)超聲速飛行時，聲波會疊加在機(jī)身之后，再一點點散開，就好比飛機(jī)的尾巴拖著一個由聲波組成的圓錐，這就是馬赫錐。如果這時飛機(jī)突然加速，其產(chǎn)生的馬赫錐的形狀就會改變，其馬赫角變小，從而導(dǎo)致早先形成的馬赫錐還沒有散去，新產(chǎn)生的馬赫錐就和舊的交匯融合，而馬赫錐交匯融合的曲線被稱為焦散曲線（caustic），而位于焦散曲線上的聲爆就是超級聲爆。

理論上講，超級聲爆的強(qiáng)度比普通聲爆要大得多，原因是超級聲爆是相位相同、強(qiáng)度不同的無窮多個聲波（N波）在焦散曲線上疊加的結(jié)果。超級聲爆的波形呈現(xiàn)獨(dú)特的字母“u”形狀，俗稱u波，而u波一旦傳到地面，會產(chǎn)生強(qiáng)度加倍的轟鳴聲，人會聽到強(qiáng)度更大的“嘭-嘭”兩聲巨響。

相對于普通聲爆，超級聲爆能量更大，危害更大。如果普通聲爆能夠震碎門窗玻璃，那么同等量級的超級聲爆就足以震垮塌鋼結(jié)構(gòu)樓房。值得注意的是，超級聲爆如果發(fā)生在在焦散曲線與地面的相切點上，那么對相切點及附近的破壞肯定是最嚴(yán)重的。而地面其他區(qū)域的人們只能感受到常規(guī)聲爆。因為焦散曲線與地面的相切點只有一個，所以超級聲爆只能在這個切點上被測試到。

反射現(xiàn)象的玄機(jī)

超級聲爆的另一個獨(dú)特現(xiàn)象就是反射現(xiàn)象，即u波會沿著焦散曲線發(fā)生反射。如果焦散曲線的高度高于地面，則向下傳播的聲爆N波在焦散曲線處變?yōu)閡波，并向天空方向反射，從而避免了高強(qiáng)度的u波傳向地面方向。而傳向地面的是低能量的散射波，基本可被忽略。

同理，向上傳播的聲爆N波在焦散曲線處變?yōu)閡波，并向地面方向反射，但由于其傳播距離過大，最終到達(dá)地面已經(jīng)穿越了很遠(yuǎn)的距離，其u波攜帶的高能量大部分會在大氣中耗散掉，而最終到達(dá)地面的反射波能量被大大削弱。所以，反射到地面的超級聲爆的u波強(qiáng)度也很低，但是否能被忽略，還沒有經(jīng)過試驗驗證。

研究人員開始認(rèn)真研究超級聲爆控制問題始于2011年。當(dāng)年，NASA德萊頓飛行研究中心在位于加州的愛德華空軍基地展開了具有開創(chuàng)性的試驗，被稱為“超級聲爆焦散曲線分析與測量飛行試驗研究項目”（簡稱Scamp項目）。在2013年1月召開的美國航空航天學(xué)會福特沃茲會議上，Scamp項目的負(fù)責(zé)人、NASA工程師朱麗葉·佩奇（Juliet Page）首次向外界公布了其超級聲爆飛行試驗研究項目的工程細(xì)節(jié)，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

Scamp項目的試驗方法是在愛德華空軍基地旁的沙漠中布置一個直線噪聲傳感器陣列，該陣列由81個噪聲傳感器組成，而F/A-18研究試驗機(jī)則在10 000英尺（合3 048米）高空沿著這個直線噪聲傳感器陣列飛過，并反復(fù)進(jìn)行直線加速度超聲速飛行，以便地面的噪聲傳感器采集到聲爆強(qiáng)度數(shù)據(jù)。據(jù)悉，目前，Scamp項目已經(jīng)飛了13個架次，期間成功測量到了20次強(qiáng)度不等的超級聲爆，試飛效果很理想。

Scamp項目的試驗?zāi)康挠腥菏紫仁蔷_測量超級聲爆發(fā)生的位置，并測量其傳到地面的最大強(qiáng)度；其次是提取試驗結(jié)果參數(shù)用于校準(zhǔn)NASA之前研發(fā)的超級聲爆預(yù)測和計算軟件的計算精度；第三是設(shè)法控制超級聲爆的波形，降低超級聲爆的u波強(qiáng)度，甚至完全消除有害的超級聲爆。前兩條試驗?zāi)康囊呀?jīng)圓滿達(dá)成，而最后一個難度過大，還在探索之中。

關(guān)于超級聲爆控制技術(shù)研究，目前NASA有兩個思路，第一個思路和普通聲爆控制技術(shù)的出發(fā)點完全相同，即設(shè)法改變超級聲爆的波形，力求將超級聲爆的波形從u形優(yōu)化成為接近“正弦函數(shù)波形”，從而降低其強(qiáng)度。這個思路的優(yōu)點是可以利用現(xiàn)成的普通聲爆控制技術(shù)研究成果，缺點是即使成功修型，超級聲爆的強(qiáng)度可能仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通聲爆，遠(yuǎn)超過人們可接受的水平。

第二個思路則非常新穎，即利用超級聲爆的反射特點，將向下傳播的聲爆N波在焦散曲線處變?yōu)閡波，并向天空方向反射。從而避免了高強(qiáng)度的u波傳向地面方向。這一思路非常具有創(chuàng)新意義，而且代價很低，所以引起了業(yè)界的極大關(guān)注。Aerion集團(tuán)更是不惜重金和NASA合作研究了“跨聲速聲爆消減技術(shù)”（Transonic Boom Cutoff），以求應(yīng)用到其正在研發(fā)的SSBJ超聲速公務(wù)機(jī)之上。但是這個思路實現(xiàn)起來有如下前提條件。

條件一 不能飛得太低，因為只有巡航高度足夠高，才能保證焦散曲線的高度高于地面，這也是Aerion集團(tuán)為什么將其SSBJ超聲速公務(wù)機(jī)的巡航高度設(shè)定為51 000英尺（15 545米）的主要原因。

條件二 飛行馬赫數(shù)必須嚴(yán)格限制在馬赫數(shù)1.1～1.2范圍內(nèi)，進(jìn)行加速-減速-加速的往復(fù)循環(huán)變速飛行，不能飛得太快，因為只有這樣，焦散曲線的高度才能高于地面，從而形成“綠色”的無聲爆區(qū)域。當(dāng)然，這提高了超聲速飛行器飛控系統(tǒng)的設(shè)計難度。據(jù)猜測，Aerion集團(tuán)在其SSBJ超聲速公務(wù)機(jī)的電傳飛控系統(tǒng)軟件中寫入了有關(guān)飛行速度的循環(huán)程序。實際效果有待觀察。

無論如何，NASA的Scamp項目使得人類對于超級聲爆這一奇特自然現(xiàn)象的認(rèn)識又深入了一步，為人類探索完美超級聲爆控制技術(shù)提供了新的思路。協(xié)和飛機(jī)退役以來，國外居然沒有一種超聲速旅客機(jī)服役，可見聲爆已經(jīng)成為了制約民用超聲速飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。如果Scamp項目的研究成果能使民用飛機(jī)在陸地上空超聲速飛行，市場前景就太大了。

責(zé)任編輯：吳佩新