超聲速客機的研發(fā)進行時

董幗雄

在人類追求飛行速度的歷程中，“協(xié)和”號飛機是一個繞不開的話題。在2019年的英國紋身節(jié)航展上，法國“巡邏兵”飛行表演隊還專門在空中擺出了“協(xié)和”號的標識，以紀念“協(xié)和”號首飛50周年。盡管從商業(yè)運營的角度看，“協(xié)和”號并不是一款成功的產(chǎn)品，但就當時的技術(shù)來看，它卻是人類追求速度巔峰的極限之作。

回顧商用飛機的發(fā)展歷程，從誕生之初的飛行時速不足百米，到20世紀50年代波音707的問世將飛行的速度帶入高亞聲速時代。盡管此后曾出現(xiàn)過圖-144、“協(xié)和”號等超聲速飛機，卻都是“技術(shù)成功、商業(yè)失敗”的產(chǎn)物，商用飛機的飛行速度一直未有質(zhì)的飛越。但即便如此，人類對于速度的渴望從未停止，尤其是隨著新技術(shù)日新月異的發(fā)展，航空業(yè)對于超聲速客機的研制熱情也與日俱增，以美國、歐洲和俄羅斯為代表的國家都在加速超聲速客機的研制。

美國，步步為營的戰(zhàn)略

作為傳統(tǒng)的航空強國，美國事實上從未徹底中斷過對超聲速客機的研制。在美國大到美國國家航空航天局（NASA），小到規(guī)模只有幾十人的初創(chuàng)公司都在進行超聲速客機的相關(guān)技術(shù)研究工作。盡管項目眾多，但從總體來看，美國改變了過去想要“一步到位”在性能上全面超越“協(xié)和”號的想法，而是有針對性地從小到大（公務(wù)機-小型客機-大型客機）、從慢到快（Ma1.6～1.8-Ma2-更快）、由近到遠（航程跨大西洋-航程跨太平洋）進行系列化發(fā)展。從產(chǎn)品研制進度來看，已有幾款產(chǎn)品初現(xiàn)端倪。

阿爾利昂（Aerion）公司的AS系列公務(wù)機是受關(guān)注度最高的產(chǎn)品。其中，AS2超聲速公務(wù)機是該公司在“超聲速噴氣公務(wù)機”（SBJ）方案基礎(chǔ)上改進發(fā)展而來的，飛行速度可達Ma1.4，并安裝了GE公司為其量身定制的Affinity渦扇發(fā)動機。2020年9月，阿爾利昂公司開始對AS2公務(wù)機進行高速風洞試驗，這也標志著該項目朝著2021年實現(xiàn)初步設(shè)計評審邁出了堅實的一步。

AS2項目被業(yè)界看好的一個重要的原因是，除了GE之外，還有很多傳統(tǒng)商用飛機的核心供應(yīng)商也出現(xiàn)在了AS2項目的供應(yīng)商名單中。如柯林斯公司將負責開發(fā)AS2超聲速公務(wù)機前緣襟翼、升降副翼、水平穩(wěn)定器和方向舵的作動系統(tǒng);BAE系統(tǒng)公司將為AS2項目提供飛行控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)將包括主動接收器、主飛行控制計算機、執(zhí)行器控制元件和遠程電子元件;羅森航空將為AS2項目開發(fā)新型客艙管理與技術(shù)系統(tǒng)。除此之外，波音也參與了AS2項目，為該項目提供財務(wù)、飛機設(shè)計、制造、試飛等方面的資源。

值得一提的是，在AS2項目中也有中國企業(yè)的身影。目前，阿爾利昂公司已經(jīng)與中國亞飛太平洋公司簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，以支持其在亞太地區(qū)的市場營銷工作，并將運營其AS2超聲速公務(wù)機。如果進展順利的話，首批AS2超聲速公務(wù)機將在2023年投產(chǎn)，投產(chǎn)后前10年的產(chǎn)量預(yù)計在300架。

當然，阿爾利昂公司對于速度的追求并不會止步于AS2。2021年4月，公司宣布將在AS2的基礎(chǔ)上，研發(fā)一款速度可達到Ma4的超聲速客機AS3，并且能夠?qū)崿F(xiàn)跨太平洋飛行。公司表示，目前正在收集潛在客戶的需求和意見，預(yù)計飛機的最大航程可達到13000公里，最大載客量50人。同時，阿爾利昂公司還表示，在AS3項目中，將繼續(xù)與NASA進行合作。

近年來，NASA對于超聲速飛機的研制正在從技術(shù)研究向潛在的商業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)移。在AS3項目中，NASA將重點研究在亞高超聲速Ma3～5速度范圍內(nèi)的飛機推進和熱管理技術(shù)。根據(jù)NASA與公司簽署的合作協(xié)議，雙方將通過技術(shù)合作來評估推進和熱管理技術(shù)的參數(shù)適用性。通過聯(lián)合評估，將探索速度Ma3.0以上的影響，并為集成發(fā)電和客艙系統(tǒng)方面的支持技術(shù)建立解決方案。

另一款在速度上與AS3有得一拼的是Hermeus公司公布的Ma5.0級高超聲速民用飛機研發(fā)項目。盡管公司還未正式公布這一項目的名稱，但其已經(jīng)明確了相關(guān)的技術(shù)細節(jié)：最大巡航速度Ma5.0、載客數(shù)20人左右、最大航程7400公里。

在公司發(fā)布的概念圖中可以看到，這款飛機采用了大后掠三角翼、無平尾加雙垂尾布局，其中三角翼在翼尖部分采用了可彎折變體翼尖設(shè)計。由于設(shè)計速度要達到Ma5.0，因此Hermeus公司將為這款飛機采用由渦輪發(fā)動機和亞燃沖壓發(fā)動機組合而成的渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機。這種設(shè)計可以讓飛機像普通飛機一樣在亞聲速渦噴發(fā)動機驅(qū)動下從普通機場起飛，然后在飛行中間段可以切換到?jīng)_壓噴氣模式加速到高超聲速，最后返回到渦噴模式減速著陸，從而可以在起降過程中無需借助專門的基礎(chǔ)設(shè)施。Hermeus公司表示，盡管這種組合式發(fā)動機研制難度較大，但公司已經(jīng)成功完成了縮比發(fā)動機的驗證試驗，為項目的后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

歐洲，從未放棄的夢想

2003年，“協(xié)和”號飛機正式退出商業(yè)運營，但歐洲各國卻從未間斷過探討一個問題，那就是該研發(fā)一款怎樣的產(chǎn)品，使其成為“協(xié)和”號的繼任者。為了得到答案，歐洲各國一直在進行探索。

最初，歐洲航空業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)空客在2005年提出過這樣一種方案，即推出一款載客數(shù)在250人左右、最大速度2400公里/小時、最大航程9600公里的大型超聲速客機的方案，但最終這一方案未能付諸行動。隨后，歐洲又陸續(xù)推出了多個超聲速飛行器的研究方案，這些方案所帶動的技術(shù)研究為后來歐洲多個超聲速飛機項目的研制奠定了基礎(chǔ)。

其中，關(guān)注度較高的是2011年由EADS集團發(fā)布的巡航速度達到Ma4.0、巡航高度達到32000米的零排放近高超聲速運輸機（ZEHST）項目。該方案中，這款超聲速飛機可以在不同飛行階段采用3種不同類型的發(fā)動機，同時還可以采用新型生物燃料來減少二氧化碳的排放。根據(jù)計劃，ZEHST將在2021年前后開始技術(shù)驗證。

另一款明星產(chǎn)品則是英國Hypermach公司推出的“聲速星”（SonicStar）超聲速噴氣公務(wù)機，根據(jù)設(shè)計，這款公務(wù)機的最大飛行速度可達Ma3.6。這款產(chǎn)品最大的亮點包括采用了可削減超聲速飛行時聲爆強度并降低氣動阻力的等離子體氣動控制技術(shù)，以及電動-燃氣渦輪混合動力發(fā)動機。根據(jù)計劃，這款超聲速公務(wù)機將在2021年年中左右首飛，2025年左右投入市場。

除此之外，為了在速度上不輸老對手美國，歐洲還在“地平線2020”計劃的資助下啟動了名為“高速推進概念的平流層飛行應(yīng)用”（StratoFly）項目，該項目的遠景目標是在2035年前將300座級高超聲速民用飛機的技術(shù)成熟度等級提高到6，并開始進行Ma8.0的飛機方案的風洞試驗。

值得一提的是，StratoFly項目中，歐洲不僅僅關(guān)注飛行的速度，更關(guān)注環(huán)保的問題。在該項目中，歐洲計劃采用液氫燃料替代傳統(tǒng)的航空燃油，這也恰恰符合歐洲當前的氫能源計劃。根據(jù)歐洲的計劃，該項目不僅可以實現(xiàn)3小時從歐洲飛至澳大利亞，同時每客公里的二氧化碳排放量將降低75%～100%，氮氧化物排放量降低90%。

為了實現(xiàn)這個目標，StratoFly項目從起飛爬升到速度達到Ma4.5時，將采用6臺渦輪沖壓發(fā)動機作為動力裝置，速度超過Ma4.5后，將切換到雙模態(tài)亞燃/超燃沖壓發(fā)動機，最終依靠超燃模態(tài)實現(xiàn)Ma8.0的速度。這一設(shè)計與SonicStar項目頗為相似。為此，StratoFly項目在德國宇航中心（DLR）的風洞試驗室完成了全機模擬的試驗，驗證了方案的氣動熱力學特性。目前這一被歐洲寄予厚望的項目仍在穩(wěn)步推進中。

俄羅斯與日本的奮進

如果說“協(xié)和”號是歐洲人的驕傲，那么圖-144則是俄羅斯的驕傲。在圖-144之后，俄羅斯仍在不斷地探索超聲速客機實現(xiàn)商用的可能，并曾一度推出過載客數(shù)300人、航程1萬公里的圖-244 超聲速客機。但最后由于蘇聯(lián)解體，這一項目最終無疾而終。此后多年，動蕩的政治局勢讓俄羅斯航空工業(yè)的發(fā)展一度倒退，直到普京政府上臺后才重新樹立了航空工業(yè)在俄羅斯工業(yè)發(fā)展中的地位。此后，俄羅斯也再次將超聲速飛機的發(fā)展擺上了議程。

與歐美國家不同，俄羅斯在發(fā)展超聲速客機時獨辟蹊徑，其正在探索將軍機改型超聲速公務(wù)機的可行性。例如，目前俄羅斯聯(lián)合航空制造集團正以圖-160戰(zhàn)略轟炸機為平臺，開發(fā)25座的超聲速噴氣公務(wù)機。此外，俄羅斯還計劃以米格-29為集成，研制新一代超聲速民用飛機的原型機，并設(shè)計飛機的飛行速度可達到Ma2.0。為此，2020年6月，俄羅斯茹科夫斯基研究所與俄羅斯工業(yè)和貿(mào)易部簽訂了相關(guān)合同，將在今年年底前完成超聲速客機的概念設(shè)計。根據(jù)計劃，這款Ma2.0的超聲速公務(wù)機將采用降低音爆強度結(jié)構(gòu)設(shè)計，起飛重量約為70噸，航程8000公里，載客數(shù)30人左右，預(yù)計2026年完成詳細設(shè)計。

除此之外，2020年9月，俄羅斯政府表示，為了更好地統(tǒng)籌國內(nèi)超聲速飛機項目的發(fā)展，已經(jīng)開始著手籌建國家超聲速飛機研發(fā)中心。該中心旨在構(gòu)建先進的低音爆超聲速飛機概念設(shè)計、空氣動力學等相關(guān)專業(yè)技術(shù)知識庫，其中包括材料、強度、聲學、發(fā)動機效率、人工智能等十大核心技術(shù)，橫跨6個先進技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)俄羅斯政府的規(guī)劃，研發(fā)中心將著重解決未來超聲速飛行領(lǐng)域棘手的技術(shù)難題，從而實現(xiàn)低聲爆超聲速飛機在總體技術(shù)、機上駕駛艙裝備等方面的創(chuàng)新。目前俄羅斯政府已經(jīng)組織多個機構(gòu)共同籌備研發(fā)中心的組建工作，主要機構(gòu)包括GosNIIAS航空系統(tǒng)中心、Gromov飛行測試中心和Baranov飛機發(fā)動機研究所等。為了支持該中心的研發(fā)工作，俄羅斯政府計劃在2020年～2024年間向該中心撥款155億盧布（約2.05億美元），政府支持力度可見一斑。

一直以來，日本也是超聲速飛機的擁躉。1997年至2006年的十年間，日本航宇研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）支持了“國家超聲速運輸機驗證”計劃（NEXST），之后隨著公眾對于環(huán)保的關(guān)注度越來越高，日本又啟動了后續(xù)的“靜音超聲速技術(shù)論證”（S3TD）計劃。

在這兩項計劃中，JAXA以無人機為空中試驗平臺，對超聲速減阻、氣動外形優(yōu)化、復(fù)合材料、飛控系統(tǒng)、動力裝置等技術(shù)進行了驗證測試，其目的是使飛行器具備低聲爆、低噪音、低排放、超聲速巡航飛行能力，從而促進新一代超聲速飛機的研制。

除了本國的科研機構(gòu)積極進行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)之外，日本還與美國合作進行了超聲速客機核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作。如日本航空公司就與知名的初創(chuàng)公司BOOM合作，共同進行50座超聲速客機的研發(fā)，并獲得了20架飛機的優(yōu)先訂購權(quán)。

在與BOOM的合作中，JAXA早前的研發(fā)成果也將擁有用武之地。在BOOM的多個超聲速項目中，將使用發(fā)動機進行室外噪聲測量試驗，以驗證JAXA早前持有專利的可變低噪聲噴嘴的效果。此外，為了提高對起降噪聲有巨大影響的低速空氣動力性能，JAXA還推進了增升裝置最佳設(shè)計技術(shù)的研發(fā)，并通過試驗驗證了一系列通過襟翼提高效能的方法。此外，日本還充分利用了其在復(fù)合材料研發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)勢，為BOOM公司的超聲速飛機研發(fā)了增加復(fù)合材料配向角和板厚自由度的最佳設(shè)計工具，從而實現(xiàn)為飛機的主翼提供復(fù)合材料的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。

在擁有了海外項目的研發(fā)經(jīng)驗與進一步的技術(shù)積累之后，JAXA提出了一種高升阻比、低噪聲、巡航速度Ma2.0、載客量200～300人、航程11000公里的超聲速飛機方案。如今，在完成了早前的技術(shù)積累之后，日本提出的這一設(shè)計方案比“協(xié)和”號飛機的聲爆強度降低50%、噪聲降至1/10、氮氧化物排放降至1/4，更難能可貴的是預(yù)計運營成本也僅為當前波音747飛機的1.3倍。根據(jù)計劃，這款被譽為“集大成者”的產(chǎn)品原型機將在2021年正式對外公布。一步一個腳印踏實在超聲速飛機領(lǐng)域耕耘的日本，未來是否能在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，頗為令人期待。