超音速客機(jī)音爆現(xiàn)象的原理、危害與應(yīng)對

邵文逸

摘 要 航空業(yè)發(fā)展在促進(jìn)商品、人員、資金、技術(shù)和理念的流動(dòng)方面具有重要作用。消費(fèi)者對民航最重要的要求是安全和效率。歷史上曾經(jīng)也有過超音速客機(jī)，協(xié)和式客機(jī)以及圖-144客機(jī)。然而，它們因?yàn)橐舯a(chǎn)生的噪音過大等原因，在21世紀(jì)初便退役了，未能很好地發(fā)揮超音速客機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。因此，消除音爆現(xiàn)象的危害成為了超音速客機(jī)實(shí)現(xiàn)再次應(yīng)用的關(guān)鍵所在。本文針對超音速客機(jī)音爆現(xiàn)象的物理原理和危害進(jìn)行介紹，對超音速客機(jī)音爆削弱現(xiàn)象進(jìn)行了研究，最后對相關(guān)發(fā)展做出了展望和預(yù)測。

關(guān)鍵詞 超音速；客機(jī)；音爆現(xiàn)象；音爆削弱

中圖分類號 V2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0050-02

我國民用運(yùn)輸正在蓬勃發(fā)展之中，僅2016年上半年，中國民航共運(yùn)輸旅客2.3億人次。最近，中國自行研制的C919大型客機(jī)成功試飛，ARJ-21投入商業(yè)運(yùn)行，這標(biāo)志著我國民用客機(jī)的研制更上一層樓。航空業(yè)發(fā)展在促進(jìn)商品、人員、資金、技術(shù)和理念的流動(dòng)方面具有重要作用。消費(fèi)者對民航最重要的要求是安全和效率。然而，目前正在運(yùn)營的民用客機(jī)中，全部為亞音速客機(jī)，這極大地限制了出行的效率。

歷史上曾經(jīng)也有過超音速客機(jī)，協(xié)和式客機(jī)以及圖-144客機(jī)[1]。然而，它們因?yàn)橐舯a(chǎn)生的噪音過大等原因，在21世紀(jì)初便退役了，未能很好地發(fā)揮超音速客機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。因此，解決音爆產(chǎn)生的巨大噪音成為了研制超音速客機(jī)的重要難關(guān)。若能解決好這個(gè)問題，使超音速客機(jī)在飛行中可以降低噪音，使超音速客機(jī)能再次普及到民用運(yùn)輸之中，加速民航的發(fā)展。

1 超音速飛機(jī)音爆的原理

1.1 超音速飛機(jī)的特點(diǎn)

超音速飛機(jī)為了在超音速飛行時(shí)獲得較好的機(jī)動(dòng)能力，必須通過改變飛機(jī)的外形以產(chǎn)生合理的氣動(dòng)布局。首先，超音速飛機(jī)一般有較小的展弦比，常采用三角翼，后掠翼這兩種機(jī)翼，如F-14，F(xiàn)-111等超音速戰(zhàn)斗機(jī)便通過采用可變機(jī)翼以獲得更好的機(jī)動(dòng)性。其次，超音速飛機(jī)的翼尖一般較尖，較薄。像翼稍小翼這些用來省油的裝置在超音速飛機(jī)上是看不見的。最后，超音速飛機(jī)的機(jī)頭比較平滑，呈流線型，機(jī)身較細(xì)長。因此，像空客A380那樣雙層寬體客機(jī)在超音速客機(jī)上很難得以

應(yīng)用。

超音速飛機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)的推力也有要求，過小的推力不足以使飛機(jī)超音速飛行。比如美國F-22超音速飛機(jī)，它所采用的F119發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比達(dá)到了約10.2，它的推力達(dá)到了100 000N。波音737質(zhì)量比F-22大2.1倍的，它所用的CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力也僅為160 000N[2]。

1.2 音爆現(xiàn)象的物理過程

當(dāng)飛機(jī)的飛行速度達(dá)到音速時(shí)，飛機(jī)的頭部便產(chǎn)生激波， 這些激波在傳播時(shí)相互影響，互相干擾，最后形成兩道波，即位于機(jī)頭的前激波和位于機(jī)尾的后激波。這些激波雖然厚度小，但是這兩道激波能量大，壓強(qiáng)大。被激波激起的空氣溫度，氣壓急速變化，造成大量能量損失，導(dǎo)致超音速飛機(jī)的速度降低，因此超音速飛行變得非常困難。由于空氣的劇烈變化，空氣中的水分子凝結(jié)成小水滴，圍繞在飛機(jī)周圍，飛機(jī)看上去就被籠罩了云霧一樣，被稱為“音爆云”[3]。

當(dāng)飛機(jī)產(chǎn)生的兩道向外傳播時(shí)，產(chǎn)生的前后激波中，前激波增壓，后激波降壓。前后激波產(chǎn)生巨大的壓力差，當(dāng)它傳播到地面上時(shí)，人們會聽到巨響的兩次聲音。同時(shí)，巨大的壓力可能導(dǎo)致玻璃振動(dòng)甚至破碎。如果飛機(jī)高度低，那么帶來的危害會更加嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致人耳失聰。

2 音爆現(xiàn)象的危害

當(dāng)飛行速度達(dá)到超音速時(shí)，音爆產(chǎn)生的噪音約為130～160分貝。與之對比，人們平時(shí)說話時(shí)的聲音僅為50～70分貝。當(dāng)人們聽到的聲音超過90分貝時(shí)，聽力會受到損害，睡眠會受到影響。當(dāng)長時(shí)間身處噪音達(dá)到120分貝的環(huán)境時(shí)，會人們的聽力會受嚴(yán)重影響，甚至引起神經(jīng)衰弱、血壓升高、頭疼等疾病。

2010年，臺灣嘉義機(jī)場舉行夏令營，臺方出動(dòng)了F-16戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行空中演練。F-16低空飛行使附近的居民遭了殃，不僅墻壁玻璃被震碎了，就連日光燈都掉了下來。同樣在2010年，一聲巨響響徹沈陽，幾秒鐘后，又一聲巨響傳出。樓道內(nèi)的鋁合金窗戶被震得巨響。路上，停放的機(jī)動(dòng)車警報(bào)響起，很多路人紛紛駐足，尋找聲音的來源。一名有相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)的人士透露：這樣的巨響可以來自途經(jīng)城市空域的超音速飛機(jī)，超音速飛機(jī)突破音障飛行時(shí)能引發(fā)音爆。據(jù)后續(xù)報(bào)道，沈陽的這兩聲巨響由飛機(jī)音爆產(chǎn)生。僅僅兩聲音爆，便是人們嚇得不輕，那么如果人們長時(shí)間的接受這樣的噪音呢？

對于經(jīng)常乘坐飛機(jī)的乘客，那么耳塞將是的必備品。長時(shí)間聽引擎的轟鳴聲不但會使人難以入眠，甚至?xí)谷俗兊梅浅┰?。對于一些引擎布置在機(jī)尾的支線客機(jī)，人們在后艙時(shí)，巨大的噪音會導(dǎo)致說話都需要吼出來，鄰座的人才能聽見。當(dāng)飛機(jī)在機(jī)場起飛降落之時(shí)，你會發(fā)現(xiàn)除了航站樓之外，很少會看到建筑物。機(jī)場附近的人們肯定受不了每隔幾分鐘就傳來的飛機(jī)飛過的聲音，早早的搬離了這里。然而，這只是在亞音速的情況下。當(dāng)超音速飛機(jī)普及之后，飛機(jī)起降的聲音將會進(jìn)一步加大，飛機(jī)的轟鳴聲將更加大。同時(shí)，由于超音速的飛行，飛機(jī)航路上的人們也將受到等同于機(jī)場的噪音。如果不能較好的解決音爆削弱的問題，那么可能會導(dǎo)致房屋解構(gòu)受損，玻璃被震碎等情況，造成經(jīng)濟(jì)上的損失。而人們也因?yàn)殚L時(shí)間不間斷的噪音，不僅聽力受損，身體健康也將受到損害，甚至出現(xiàn)精神疾病。

3 音爆現(xiàn)象的削弱

音爆現(xiàn)象的削弱方法經(jīng)過了幾代人的研究與改進(jìn)，取得了較大的進(jìn)展。然而，適用于民用運(yùn)輸?shù)某羲倏蜋C(jī)的技術(shù)較少。

3.1 改變飛機(jī)外形設(shè)計(jì)

飛機(jī)外形設(shè)計(jì)中，對飛機(jī)外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用機(jī)身不同位置產(chǎn)生激波的差異，使之部分互相抵消，降低最終傳到地面的N形波強(qiáng)度，從而減低音爆的不利影響。2003年，美國宇航局和國防部高級研究計(jì)劃局合作，重啟了音爆研究計(jì)劃，驗(yàn)證了這個(gè)想法的正確性。試驗(yàn)表明，其方案可以將音爆強(qiáng)度降低1/3左右[4]。endprint

增加機(jī)鼻長度可以減弱音爆產(chǎn)生的激波，從而減小音爆。2006年，灣流公司（Gulfstream Aerospace）與美國宇航局（NASA）合作開發(fā)的、最快巡航速度可達(dá)1.8馬赫的“Quiet Spike”，就采用增加機(jī)鼻長度的設(shè)計(jì)?！癚uiet Spike”以波音F-15戰(zhàn)斗機(jī)為原型，采用碳纖維復(fù)合材料制成的可伸縮機(jī)鼻。在飛行的過程中，機(jī)鼻可以展開（最長24英尺，約7.3米），成功將前激波轉(zhuǎn)化成3個(gè)小的激波，減小了音爆[5]。

3.2 減小飛機(jī)體積和重量

其次，減小飛機(jī)的重量。重量越大，產(chǎn)生的音爆越強(qiáng)。這樣，研制大型超音速客機(jī)難上加難，像空中客車A380那樣可搭載300～400人的大型客機(jī)很難實(shí)現(xiàn)超音速飛行。同時(shí)，超音速飛行需要的燃油量大，這進(jìn)一步增加了飛機(jī)的重量。為了進(jìn)一步減少飛機(jī)質(zhì)量，飛機(jī)可以采用當(dāng)代流行的復(fù)合材料從實(shí)際上減少飛機(jī)重量，同時(shí)優(yōu)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)，減少多余的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。美國超音速航空國際公司（SAI）和洛克希德馬丁公司（Lockheed Martin）合作研制的“安靜超音速公務(wù)機(jī)”（QSBJ）就是小型飛機(jī)。它只能容納10名左右的乘客，但據(jù)說它的噪音卻比協(xié)和號低得多，對地面的不利影響大大降低[6]。

但是，進(jìn)過改進(jìn)后的飛機(jī)其自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否能夠保證超音速客機(jī)長時(shí)間的超音速飛行，飛機(jī)的壽命能夠達(dá)到一定要求，這些問題還需要權(quán)衡。

3.3 采用新的設(shè)計(jì)理念

1）利用馬赫截止現(xiàn)象。超音速飛機(jī)設(shè)計(jì)中可以試著采用新的理念。據(jù)計(jì)算，當(dāng)飛機(jī)速度為1.15馬赫左右，飛行高度1萬米時(shí)，產(chǎn)生的激波會在約1 500m（具體的數(shù)值與大氣溫度和飛行高度和速度密切相關(guān)）高度處向上反彈，這一現(xiàn)象被稱為馬赫截止現(xiàn)象。利用馬赫截止現(xiàn)象，將飛機(jī)的外形進(jìn)行改進(jìn)，降低音爆產(chǎn)生激波的強(qiáng)度，從而減弱音爆，但是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)也非常艱巨，若這個(gè)設(shè)想真的能夠?qū)崿F(xiàn)，這也是極好的。

2）利用音爆聚集現(xiàn)象。利用音爆聚集現(xiàn)象，即通過控制超音速飛機(jī)加速、減速時(shí)形成的強(qiáng)烈的“超級”音爆，將音爆產(chǎn)生的聲音，能量全部集中到沙漠或者大海的某一個(gè)地方進(jìn)行釋放，這個(gè)想法雖然好，但是實(shí)行起來也會變得非常困難。如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象是其次的，但是世界上飛機(jī)的航線許許多多，如果都設(shè)立這些區(qū)域的話，那么將會是極大的資源浪費(fèi)。如果采用單一航道，那么空管的工作量會大大增加，每天的航班量將受到很大的限制，甚至發(fā)生空中撞機(jī)

事件[7]。

3）其他設(shè)想。或者，采用發(fā)射的方式，將飛機(jī)像炮彈一樣拋射出去并達(dá)到超音速。之后再展開機(jī)翼，依靠自身動(dòng)力飛行，滑翔降落。這僅僅是個(gè)人的猜想，達(dá)到這樣的水平還需一定的水準(zhǔn)。

4 結(jié)論

超音速客機(jī)若能應(yīng)用于民航，將會極大提高出行效率，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生有力的推動(dòng)作用。飛機(jī)超音速飛行中存在音爆問題，巨大能量的釋放會對地面人員和設(shè)施造成不利的影響，這限制了超音速客機(jī)的應(yīng)用。超音速客機(jī)音爆是一個(gè)涉及到飛機(jī)外形設(shè)計(jì)、流體力學(xué)和聲學(xué)等多因素的復(fù)雜問題，學(xué)界雖然提出了許多設(shè)想，但還有待于進(jìn)一步深入研究

驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]宋豐.超音速飛機(jī)如何實(shí)現(xiàn)音爆[J].軍事文摘，2016（22）：56-57.

[2]朱自強(qiáng)，蘭世隆.超聲速民機(jī)和降低音爆研究[J].航空學(xué)報(bào)，2015（8）：2507-2528.

[3]王婷婷.超音速客機(jī)何時(shí)再出發(fā)[N].科技日報(bào)，2013-05-16（005）.

[4]馮曉強(qiáng)，李占科，宋筆鋒.超音速客機(jī)音爆問題初步研究[J].飛行力學(xué)，2010（6）：21-23，27.

[5]黃培昭.以軍“音爆”炸加沙[N].人民日報(bào)，2005-11-08（003）.

[6]吳生.超音速飛機(jī)防“音爆”換新“鼻”[N].大眾科技報(bào)，2003-10-14.

[7]吳文權(quán).噪音和音爆[J].力學(xué)情報(bào)，1972（12）：14-21.endprint