超聲速客機正飛來

劉思靜

協(xié)和號停飛20多年后，超聲速客機重回公眾視野。2020年7月，著名的初創(chuàng)公司博姆公司（Boom）宣布，公司正在研制的XB-1超聲速客機整體式機翼和機身已經(jīng)完成對接，并完成了機翼的加載試驗。XB-1超聲速飛機的載客人數(shù)為75人，按計劃將于2021年開始試飛。

在此之前，另一家初創(chuàng)公司艾利安公司（Aerion）已經(jīng)宣布，公司正在研制的AS2超聲速公務(wù)機將在2024年首飛，2026年投入市場，而合作伙伴GE公司為其研制的“親和力”（Affinity）發(fā)動機已經(jīng)在今年2月完成了第一輪發(fā)動機燃燒試驗，預(yù)計今年年底對其進行產(chǎn)品設(shè)計審查?？梢哉f，諸如Boom和Aerion這樣充滿創(chuàng)新力的初創(chuàng)型公司已經(jīng)成為超聲速客機研制的重要推動力。

擅長借力的Aerion

Aerion公司正在研制的AS2超聲速公務(wù)機是在研超聲速客機項目中較為成熟的一款。經(jīng)過多年的設(shè)計優(yōu)化和不斷驗證，2020年Aerion公司確定了AS2項目的最終設(shè)計：采用全新的后掠三角翼來取代層流設(shè)計，飛機機身長44米，翼展為24米，具有較大的前緣襟翼和后緣襟翼，能夠改善低速飛行性能，使發(fā)動機在低功率起飛階段滿足噪聲規(guī)定。

雖然目前對AS2機體活動面尚未給出具體細(xì)節(jié)，但后緣襟翼被認(rèn)為支撐著一組高速內(nèi)側(cè)襟副翼、中跨襟翼和外側(cè)低速副翼，前緣襟翼內(nèi)側(cè)由固定部分組成，活動面幾乎從發(fā)動機短艙延伸到翼尖。

對于一直以來困擾著超聲速飛機的噪聲問題，Aerion公司已明確表示，AS2超聲速公務(wù)機的設(shè)計嚴(yán)格按照FAA提出的噪聲認(rèn)證法規(guī)，即在采用有效感覺噪聲級的評判標(biāo)準(zhǔn)下，其橫測噪聲不超過96.5分貝，飛越噪聲不超過94分貝，進場噪聲不超過100.2分貝。

作為一家初創(chuàng)型公司，Aerion十分擅長與傳統(tǒng)企業(yè)開展合作，而靠譜的傳統(tǒng)制造商也為AS2超聲速公務(wù)機的研制提供了強有力的技術(shù)支撐。AS2超聲速公務(wù)機采用了GE公司最新的Affinity發(fā)動機作為動力裝置。目前，這款發(fā)動機已經(jīng)完成了初步設(shè)計審查，GE正在對測試過程中產(chǎn)生的基準(zhǔn)噪聲數(shù)據(jù)進行評估。這也是行業(yè)內(nèi)第一次在一臺發(fā)動機上完成這一類型的聲學(xué)測試。

同時，為了實現(xiàn)綠色環(huán)保的目標(biāo)，未來GE還計劃在Affinity發(fā)動機上使用100%的可替代噴氣燃料。如果這一計劃最終得以實現(xiàn)，將大大降低超聲速客機的使用成本。根據(jù)計劃，AS2超聲速公務(wù)機將在今年10月完成飛機級的初步設(shè)計審查。

“瘋狂的”Boom

Boom公司研制的超聲速客機的原型機代號為XB-1，綽號“嬰兒潮”，寓意是希望其可以延續(xù)全球首款超聲速飛機X-1的輝煌。

XB-1原型機尺寸是未來量產(chǎn)版Overture超聲速客機的三分之一，外形設(shè)計上與協(xié)和號十分相似。XB-1原型機只有兩個座位，其作用是用來驗證全尺寸Overture超聲速客機的各項技術(shù)，其中包括高效的空氣動力學(xué)設(shè)計、先進復(fù)合材料和高效的推進系統(tǒng)等。

2016年，Boom公司公布了XB-1飛機的概念設(shè)計圖：飛機全長為21米，翼展為5.2米，最大起飛質(zhì)量為6100千克。飛機整體采用了流線型和高細(xì)度比（飛機長度與寬度之比）設(shè)計來減小阻力并提高飛行效率。機翼采用了三角翼設(shè)計，使飛機能夠在較寬的速度包線內(nèi)平衡飛行控制和穩(wěn)定性。

XB-1具有獨特的進氣道設(shè)計，能夠保證為發(fā)動機提供穩(wěn)定的氣流，該設(shè)計已經(jīng)在超聲速風(fēng)洞中得到了驗證。XB-1采用碳纖維、環(huán)氧樹脂等輕質(zhì)復(fù)合材料制成，每個組件都經(jīng)過了單獨設(shè)計以平衡強度、質(zhì)量和穩(wěn)定性。

目前，XB-1的設(shè)計制造已經(jīng)接近尾聲：駕駛艙完成了93%，已經(jīng)通過了人體工程學(xué)測試，確保了駕駛桿和油門等必要的設(shè)備始終處于飛行員使用的理想位置;整體式機翼和機身已經(jīng)完成對接，并完成了機翼的加載試驗;發(fā)動機已經(jīng)100%就緒，XB-1選用3臺GE航空集團的J85發(fā)動機，其最大推力為54.7kN，已經(jīng)通過性能測試;起落架正在生產(chǎn)中，剎車裝置能夠使飛機以343千米/小時的進近速度安全著陸;垂直尾翼已經(jīng)安裝了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，正在為蒙皮收尾做準(zhǔn)備。

目前，Boom公司正在計劃進行XB-1的滑行測試和飛行測試，并將建造一個包括飛行測試控制室和XB-1模擬室的支持設(shè)施來進行飛行試驗，目的是將XB-1的飛行包線安全地擴展至超聲速。

Boom計劃將客艙座位分為兩列單座，保證每位乘客都能享受窗外的美景和充足的過道空間。為了盡可能減少飛行時間，飛機將在6萬英尺的高空航行，屆時每位乘客都可以透過舷窗一睹地球弧線。

如今，XB-1項目已經(jīng)成為資本市場的寵兒。2019年，Boom公司就獲得了一筆1億美元的融資，助力其加速項目研發(fā)。此外，攜程也成為Boom公司的戰(zhàn)略合作伙伴，希望未來將這一劃時代的超聲速飛機引入中國商旅市場。

動力是關(guān)鍵

除了噪聲、成本等常見問題，決定超聲速客機項目成敗的關(guān)鍵因素是飛機動力裝置的選擇。

2018年，在美國航空航天學(xué)會（AIAA）2018年度航空峰會上，波音出人意料地公開了一款高超聲速民用飛機方案。波音表示，這款高超聲速飛機的速度將達到5倍聲速，這意味著這款飛機在倫敦飛往紐約的跨大西洋航線上只需要2個小時就可以抵達目的地。

波音還表示，經(jīng)過長期的預(yù)研和論證，全尺寸渦輪基沖壓組合發(fā)動機是高超聲速飛機動力系統(tǒng)的最佳解決方案。但事實上，要開發(fā)一款全新的此類發(fā)動機絕非易事。尤其是在一場突發(fā)的新冠肺炎疫情之后，對于發(fā)動機制造商來說，短期內(nèi)不可能花費大量的資金去研制一款全新的產(chǎn)品。因此，如何在發(fā)動機制造商已有產(chǎn)品中進行選擇，并根據(jù)需要進行改進或在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上研制一款更具針對性的產(chǎn)品，成為了初創(chuàng)公司折中的選擇。

對于超聲速飛機發(fā)動機來說，較為適合的是涵道比為3～4的中等涵道比渦扇發(fā)動機。足夠低的涵道比能夠減少飛機起飛時的噪聲，同時也不會引起太多的波阻，并保證足夠高的燃油效率。對此，波音臭鼬工廠的飛行器設(shè)計與技術(shù)主任戴夫·理查森曾表示：“盡管如今新材料的發(fā)展已經(jīng)能夠讓核心機的工作溫度更高，但對于超聲速飛機來說，這種循環(huán)參數(shù)并不是最理想的。相比之下，普惠公司的JT8D或GE公司的J79比如今新一代發(fā)動機更適合在超聲速飛機上使用。”正因為如此，Boom公司為XB-1選擇了J85發(fā)動機。

Aerion公司選擇的Affinity是一款雙軸的中等涵道比發(fā)動機，集成了一個類似于戰(zhàn)斗機的兩級風(fēng)扇和CFM56/F101的核心機，有9級高壓壓氣機、單級高壓渦輪和2級低壓渦輪。它在設(shè)計上的獨特之處在于有一個低阻力的進氣錐，帶有可調(diào)后緣的固定進口導(dǎo)流葉片和兩級寬弦整體葉盤風(fēng)扇。發(fā)動機尾部有一個復(fù)雜的陶瓷基復(fù)合材料排氣混合組件，類似的設(shè)計在GE公司的“通行證”（Passport）發(fā)動機中曾使用過。

此外，Affinity還使用了全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，被設(shè)計為既能在水面上空以Ma1.4進行超聲速巡航，又能在陸地上空高效地亞聲速飛行，而不用修改現(xiàn)有的適航章程。在合適的氣候環(huán)境和復(fù)雜算法的控制下，AS2能以Ma1.2在陸地上空飛行而不產(chǎn)生聲爆現(xiàn)象，并符合第五階段關(guān)于飛機起飛和降落的噪聲要求。

對此，GE公司表示：“Affinity既不是一臺渦噴發(fā)動機，也不是一臺戰(zhàn)斗機發(fā)動機，也不像曾經(jīng)安裝在協(xié)和號上的發(fā)動機。它是介于民用發(fā)動機和戰(zhàn)斗機發(fā)動機兩者之間的一款產(chǎn)品?！?/p>

但無論是像Boom公司那樣選擇一款已有產(chǎn)品還是像Aerion公司那樣選擇一款新研制的產(chǎn)品，這些發(fā)動機與飛機的匹配性究竟如何都還是一個未知數(shù)。對于超聲速客機而言，發(fā)動機關(guān)系著飛機的噪聲、成本等諸多決定項目成敗的關(guān)鍵因素。從這個角度來看，發(fā)動機已經(jīng)成為了超聲速客機何時重回市場的關(guān)鍵。

適航的挑戰(zhàn)

不過，盡管初創(chuàng)公司所描繪的超聲速客機的未來令人怦然心動，但超聲速客機要真正回歸市場還面臨著很多的困難和挑戰(zhàn)。

首當(dāng)其沖的困難是適航。解決不了這一問題，超聲速客機的回歸便無從談起。聲爆是飛行器在超聲速飛行時產(chǎn)生的一種大氣聲學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)飛行器突破聲障時，會產(chǎn)生巨大的能量，這些能量傳到地面，會產(chǎn)生短暫而強烈的爆炸聲。因此，聲爆的強弱關(guān)系到客機能否被允許在陸地上空以超聲速飛行，若噪聲問題得不到解決，超聲速客機就很難被大眾所接受。

與此同時，相應(yīng)的組織也在加快對超聲速客機噪聲標(biāo)準(zhǔn)的重新制定和相關(guān)適航工作的開展。2018年，F(xiàn)AA獲得立法授權(quán)，主持制定超聲速民用飛機的相關(guān)規(guī)則，其中包括指導(dǎo)建立噪聲標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語規(guī)范。該授權(quán)要求FAA在5年內(nèi)完成規(guī)章制定工作，為超聲速民用飛機關(guān)鍵設(shè)計決策提供所需的規(guī)章依據(jù)。

NASA也將在2021年中期開展低聲爆飛行演示驗證，試驗對象為洛克希德·馬丁公司研發(fā)的X-59 QueSST超聲速飛機。通過收集社區(qū)響應(yīng)數(shù)據(jù)，NASA將建立一個可接受的超聲速民用飛機噪聲標(biāo)準(zhǔn)，以取代現(xiàn)行的禁止陸地上空進行超聲速飛行的法規(guī)。

2023年至2025年，NASA將測試美國社區(qū)對飛機噪聲的反應(yīng)，測試數(shù)據(jù)將提供給國際民航組織（ICAO），并計劃在2025年上半年完成噪聲標(biāo)準(zhǔn)和巡航聲爆限制規(guī)章的制定工作。

NASA在波音和洛克希德·馬丁的支持下，于2019年開展了低聲爆驗證機飛行試驗，以了解公眾對低聲爆的反應(yīng)。NASA的低聲爆驗證機采用單發(fā)設(shè)計，模擬80～100座級飛機以Ma1.6～1.8的速度飛行時的激波特征。該驗證機的聲爆水平相比協(xié)和號低了一半。NASA希望通過設(shè)計更改，讓低聲爆驗證機能夠?qū)⒃揪薮蟮穆暠瑴p弱為低峰值聲爆。該試驗獲得的數(shù)據(jù)有望在今年提交FAA和國際民航組織。

此外，對于一款商用飛機來說，技術(shù)成功和市場成功兩者是缺一不可的。未來，超聲速飛機要避免重蹈協(xié)和號的覆轍，必須在提高經(jīng)濟性上做足功課。目前，無論是Aerion公司還是Boom公司，都在可持續(xù)發(fā)展上進行了探索。

Aerion公司正在和GE公司共同努力，希望未來Affinity發(fā)動機可以使用新一代清潔能源以替代傳統(tǒng)的燃油，甚至未來可以實現(xiàn)全電動飛行;Boom公司則不僅計劃使用低碳的航空燃料，更在地面和空中試驗中都進行了100%碳中和測試。

可以說，在吸取了協(xié)和號的經(jīng)驗和教訓(xùn)之后，在新技術(shù)、新理念的推動下，充滿創(chuàng)新活力的初創(chuàng)企業(yè)或許能給業(yè)界帶來更多驚喜，讓我們拭目以待。