“序曲”奏響 50年后的超聲速飛行體驗(yàn)

文/ 陳玉潔（中國航發(fā)渦輪院）

Boom超聲速公司研制的“序曲”公務(wù)機(jī)預(yù)計(jì)將搭載65～80名乘客，飛行速度將是目前民用客機(jī)的兩倍，并將使用100%的可持續(xù)航空燃料，這將開啟航空旅行的未來。不知道會(huì)有多少人愿意花5000美元（或等價(jià)的里程）來體驗(yàn)一趟這樣的超聲速之旅呢？

在今年的范堡羅航展上，Boom超聲速公司就宣布了其在可持續(xù)超聲速飛行道路上的重要里程碑。自“協(xié)和號(hào)”客機(jī)在范堡羅首次亮相51年后，經(jīng)過2600萬個(gè)小時(shí)的模擬軟件設(shè)計(jì)、5次風(fēng)洞試驗(yàn)、51次全設(shè)計(jì)迭代的評(píng)估，Boom宣布在超聲速客機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境上可持續(xù)性方面取得了重大進(jìn)展，生產(chǎn)型“序曲”（Overture）客機(jī)得以面世。據(jù)悉，“序曲”飛機(jī)將于2024年投產(chǎn)，2026年開始試飛，2029年搭載第一批乘客。

Boom公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官布萊克·斯科爾表示，“序曲”旨在滿足嚴(yán)格的安全和可持續(xù)性要求，同時(shí)使數(shù)千萬乘客在全球的600多條航線中能夠更高效地旅行。Boom還正在整合當(dāng)今的規(guī)章制度和行業(yè)期望，并推動(dòng)民用超聲速飛機(jī)從供應(yīng)鏈到生產(chǎn)和安全性要求的全方位躍進(jìn)。

性能特征

Boom在空氣動(dòng)力學(xué)、降噪和整體性能等方面進(jìn)行了一些創(chuàng)新，“序曲”的新構(gòu)型主要有以下特點(diǎn)：

● 配裝4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)：4臺(tái)安裝在機(jī)翼上的發(fā)動(dòng)機(jī)，使飛機(jī)能夠以Ma1.7的飛行速度在大洋上空進(jìn)行巡航，以接近Ma1的飛行速度進(jìn)行陸上巡航。4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上降低了噪聲，同時(shí)也降低了航空公司的運(yùn)營成本。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的位置也符合最嚴(yán)格的乘客安全要求。

● 工作更安靜：在起飛時(shí)，“序曲”將使用先進(jìn)的自動(dòng)降噪系統(tǒng)。飛機(jī)在沒有打開加力燃燒的情況下飛行時(shí)，能達(dá)到與最新的亞聲速飛機(jī)相同的噪聲水平。這些降噪工作將提高乘客舒適度，減少對(duì)機(jī)場社區(qū)的影響。

● 機(jī)身外形：根據(jù)面積律，“序曲”的機(jī)身朝前部直徑較大、朝后部直徑較小。在超聲速時(shí)，這種設(shè)計(jì)可以減小阻力、最大限度地提高燃油效率。

● 海鷗翼：采用海鷗翼構(gòu)型是為了提高飛機(jī)的超聲速性能，并改善亞聲速和跨聲速操縱性能。重要的是，這種構(gòu)型也有助于確保飛機(jī)在任何速度下的安全性和穩(wěn)定性。

● 碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)： “序曲”大量采用了碳纖維復(fù)合材料，以高度復(fù)雜的曲率加工碳纖維復(fù)合材料有助于提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率，比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)更輕、強(qiáng)度更高、熱穩(wěn)定性更好。

● 凈零碳：從一開始，“序曲”的研制目標(biāo)就定為凈零碳，以100%可持續(xù)航空燃料（SAF）飛行，可持續(xù)性理念貫穿了設(shè)計(jì)—生產(chǎn)—飛行和全生命周期循環(huán)的所有環(huán)節(jié)。

Overture 超聲速客機(jī)參數(shù)

頂級(jí)供應(yīng)商

柯林斯公司協(xié)助Boom評(píng)估和開發(fā)了“序曲”的主要飛機(jī)系統(tǒng)和部件。雙方工程師共同進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析；評(píng)估除冰系統(tǒng)，以及外場性能和航程要求的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；雙方還合作開發(fā)了進(jìn)氣道、噴管和排氣系統(tǒng)技術(shù)，以促進(jìn)“序曲”的凈零碳工作。兩家公司已合作多年，在改進(jìn)“序曲”的推進(jìn)系統(tǒng)性能、將飛機(jī)噪聲最小化方面取得了成果。

伊頓公司和Boom正在開發(fā)未來的燃料分配、測量和惰化系統(tǒng)。伊頓公司是深耕軍用和商用航空燃油系統(tǒng)領(lǐng)域的公司，為“序曲”發(fā)動(dòng)機(jī)的供油率、加油和放油、排氣、基本和應(yīng)急重心控制以及泵性能在內(nèi)的系統(tǒng)分析方案提供專業(yè)技術(shù)支持。

賽峰著陸系統(tǒng)公司是首次和Boom合作，技術(shù)團(tuán)隊(duì)專注于結(jié)合最新技術(shù)，開發(fā)了“序曲”的著陸系統(tǒng)，以提高飛機(jī)安全性、優(yōu)化重量、降低飛機(jī)噪聲。

“序曲”超聲速客機(jī)性能指標(biāo)

巡 航 速 度 超聲速巡航：Ma 1.7，亞聲速巡航：Ma 0.94

航 程（ 滿 載） 4250n mile（7870km）

搭 載 乘 客 65～80人

外 形 尺 寸 機(jī)長：61.26m，機(jī)高：10.97m，翼展：32.31m

內(nèi) 部 尺 寸 內(nèi)艙長：24.08m，過道高度：1.98m

機(jī)體 復(fù)合材料機(jī)身及機(jī)翼

機(jī)翼 前緣和后緣數(shù)字式襟翼控制的海鷗形

飛 行 控 制 2個(gè)LRU（現(xiàn)場可更換單元），4×冗余數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)

動(dòng) 力 裝 置 4臺(tái)中等涵道比、兼容100%SAF的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

機(jī)場社區(qū)噪聲 滿足ICAO第14章/FAA第5等級(jí)要求

試驗(yàn)和制造

Boom在美國科羅拉多州新建了“鐵鳥”試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)施面積達(dá)到6500平方米，將容納系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室（SIL），其中包括“序曲”的首個(gè)全尺寸試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?“鐵鳥”試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸δ荦R全的駕駛艙模擬器。該公司將在“鐵鳥”試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)所有關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證，以確保飛機(jī)的安全性。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵脖环Q為“鐵鳥”，是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的形狀粗糙的飛機(jī)，大約長60m、寬30m，用于測試和集成“序曲”飛行器的飛行部件和系統(tǒng)、軟件和硬件。試驗(yàn)臺(tái)還將配備一個(gè)客艙模型和一個(gè)虛擬可視化室，該虛擬可視化室采用虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序的獨(dú)特組合，以輔助實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)。

“序曲”超級(jí)工廠設(shè)在北卡羅來納州格林斯博羅的皮德蒙特三角區(qū)國際機(jī)場，這是Boom的首個(gè)全尺寸制造工廠。超級(jí)工廠將是一個(gè)現(xiàn)代化的制造設(shè)施，包括最終裝配線、測試設(shè)施和“序曲”的客戶交付中心，預(yù)計(jì)于2024年開始生產(chǎn)飛機(jī)。

動(dòng)力系統(tǒng)

傳統(tǒng)上，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)的設(shè)計(jì)，除非基于現(xiàn)有的或派生的推進(jìn)系統(tǒng)，否則飛機(jī)機(jī)體的研制通常主要由動(dòng)力裝置來決定。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)通常在新機(jī)首飛前幾年就開始，特別是對(duì)于那些具有挑戰(zhàn)性性能要求的飛機(jī)。

Overture 超聲速客機(jī)商務(wù)艙概念圖

Boom試圖使“序曲”實(shí)現(xiàn)超聲速巡航，同時(shí)滿足嚴(yán)格的國際民航組織第14章/FAA第5等級(jí)起飛和著陸噪聲限制— 這是2020后進(jìn)入服役的新客機(jī)必須要滿足的先決條件。Boom通過將巡航速度由Ma2.2降低到Ma1.7，并選擇更實(shí)用的4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型，降低了噪聲，并減輕了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求的壓力。

Boom公司CEO解釋道，超聲速飛行需要大的核心機(jī)和更小的風(fēng)扇，而“序曲”的核心機(jī)尺寸已經(jīng)達(dá)到目前的極限。Boom要關(guān)注的重點(diǎn)不是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上的突破，而是發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式的不同，這暗示著“序曲”設(shè)計(jì)極可能采用發(fā)動(dòng)機(jī)衍生研制的方法。航展上公布的經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的“序曲”概念圖也體現(xiàn)了這一點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)似乎包括固定幾何形狀的外部壓縮進(jìn)氣道、延伸的噴管罩和塞式噴管，所有這些都將使現(xiàn)有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的適當(dāng)改型能夠以超聲速運(yùn)轉(zhuǎn)。

低阻力進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)包括一個(gè)環(huán)形外涵道，它將氣流以亞聲速的方式輸送到風(fēng)扇的正面— 這是一個(gè)非常重要的操作特征。在這種情況下，“序曲”的進(jìn)氣道包括一個(gè)等熵壓縮整流錐和一個(gè)亞聲速擴(kuò)壓器，這兩者結(jié)合起來將進(jìn)氣道的氣流從Ma1.7降低到Ma0.6左右，同時(shí)為有效地遠(yuǎn)程巡航提供良好的恢復(fù)壓力。

概念圖顯示，除了后掠進(jìn)口導(dǎo)流葉片外，喉部區(qū)域有一個(gè)外涵道分流器。這使氣流降為亞聲速，然后在收—擴(kuò)通道中將其膨脹到超聲速，再從排氣通道排出。在低速時(shí)，這種旁通流可以提供噪聲屏蔽；在超聲速飛行中，外涵道將使低總壓氣流從進(jìn)氣道整流罩唇口形成的激波中轉(zhuǎn)向，同時(shí)向風(fēng)扇葉片的葉尖提供潔凈氣流。

該構(gòu)型似乎與羅羅、灣流公司和NASA在2009—2010年靜聲超聲速飛機(jī)項(xiàng)目下研究的推進(jìn)方案具有相同之處。該小型低聲爆飛機(jī)起飛推力級(jí)為68kN，配裝Tay發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)巡航速度Ma1.6，飛行高度為13km。而相比之下，尺寸較大的“序曲”主要由輕質(zhì)復(fù)合材料制成，類似的布局可能采用推力更高的BR700/Pearl系列的衍生型發(fā)動(dòng)機(jī)。

Boom認(rèn)為，能在2030年實(shí)現(xiàn)進(jìn)入服役的目標(biāo)，因?yàn)榕c研制全新的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，衍生型發(fā)動(dòng)機(jī)研制成本和時(shí)間都大大減少。這種派生式的研制方法也可能使這個(gè)項(xiàng)目可選發(fā)動(dòng)機(jī)范圍擴(kuò)大，不只是較大尺寸的羅羅核心機(jī)，還包括普惠的PW800或GE的Passport。后者最近在龐巴迪的環(huán)球8000公務(wù)機(jī)的飛行試驗(yàn)中，速度超過了Ma1。

Boom將在未來幾個(gè)月選定推進(jìn)系統(tǒng)以及其他主要系統(tǒng)供應(yīng)商。

未來發(fā)展

美國聯(lián)合航空公司已經(jīng)與Boom達(dá)成了商業(yè)協(xié)議，將采購“序曲”超聲速飛機(jī)。根據(jù)該協(xié)議的規(guī)定，一旦“序曲”滿足了聯(lián)合航空公司對(duì)安全性、運(yùn)營和可持續(xù)性的要求，該公司將購買15架“序曲”客機(jī)，并可選擇再購買35架。為了在未來10年不讓聯(lián)合航空公司獨(dú)占高端客機(jī)的優(yōu)勢，其對(duì)手美國航空公司也訂購了60架“序曲”，其中20架為確認(rèn)訂單，40架為可選。再加上2017年日本航空公司預(yù)訂的20架，Boom目前的總訂單量已達(dá)到130架，其中35架為確認(rèn)訂單。

Concorde 協(xié)和式客機(jī)工程圖

“序曲”概念圖

2022年1月，Boom宣布與美國空軍簽署了為期3年的戰(zhàn)略合作協(xié)議，價(jià)值高達(dá)6000萬美元。協(xié)議隸屬于STRATFI項(xiàng)目，授予Boom的合同是該項(xiàng)目最大的投資之一，是對(duì)發(fā)展未來超聲速航空的重大投資，這也加快了“序曲”的研發(fā)。

2022年7月，在范堡羅航展上，Boom還宣布與諾斯羅普-格魯門公司達(dá)成了一項(xiàng)里程碑式的合作協(xié)議，以便為美國政府及盟友研發(fā)執(zhí)行特殊任務(wù)的飛機(jī)，開發(fā)了“序曲”向美國及其盟友提供高超聲速運(yùn)輸能力的潛力。兩家公司將為“序曲”共同尋找新的使用場景，如開發(fā)“序曲”的軍用型，以支持需要快速反應(yīng)的政府和軍事行動(dòng)，包括快速反應(yīng)監(jiān)視和偵察、指揮和控制以及流動(dòng)和后勤任務(wù)，如緊急醫(yī)療和部隊(duì)運(yùn)輸。

與上個(gè)世紀(jì)大名鼎鼎的 Concorde 協(xié)和式客機(jī)相比，“序曲”的超聲速巡航速度已經(jīng)降低，顯然是同時(shí)考慮了安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此得到的結(jié)果是，“序曲”客機(jī)的一張紐約—倫敦往返機(jī)票價(jià)格目標(biāo)設(shè)定在5000 美元；作為對(duì)比，相同航線 Concorde 協(xié)和式客機(jī)當(dāng)初的票價(jià)高達(dá)20000 美元；后者的飛行時(shí)間僅比前者節(jié)省了大約半小時(shí)。

結(jié)束語

確認(rèn)訂單表明，航空公司對(duì)超聲速飛行的興趣依舊濃厚，對(duì)“序曲”設(shè)計(jì)的成熟度也表示滿意。除了使超聲速飛行回歸商業(yè)航空外，Boom還與美國空軍和諾格公司合作，有意將“序曲”的應(yīng)用擴(kuò)大到軍事和國防方面。

盡管“序曲”的銷售業(yè)績不錯(cuò)，但發(fā)動(dòng)機(jī)的不確定性仍舊使業(yè)界持懷疑態(tài)度。畢竟，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)就沒有飛機(jī)。在Boom選定推進(jìn)系統(tǒng)以及其他主要系統(tǒng)后，或許“序曲”的發(fā)展前景會(huì)更為明晰。