航空業(yè)會否重拾超聲速

董幗雄

近日，美國航空領(lǐng)域的初創(chuàng)公司Boom Supersonic研制的一款名為序曲（Overture）的超聲速客機收獲了來自美國聯(lián)合航空公司的訂單，而根據(jù)Boom公司的規(guī)劃，這款飛機計劃在2024年左右投產(chǎn)，2026年投入運營。Overture會否成為繼協(xié)和號超聲速飛機之后，又一款投入市場的超聲速客機，從圖紙到實物，超聲速客機的商業(yè)化運營之路還有哪些難關(guān)需要攻克成為了業(yè)界熱議的話題。

盡管人類對于高速飛行的追求由來已久，但自2003年協(xié)和號飛機退出市場之后，民航業(yè)再也沒有出現(xiàn)過一款可以投入運營的超聲速客機。但近兩年來，行業(yè)又再掀起了一陣超聲速飛機的研發(fā)熱潮。近日，美國航空領(lǐng)域的初創(chuàng)公司Boom Supersonic研制的一款名為序曲（Overture）的超聲速客機收獲了來自美國聯(lián)合航空公司的訂單，而根據(jù)Boom公司的規(guī)劃，這款飛機計劃在2024年左右投產(chǎn)，2026年投入運營。Overture會否成為繼協(xié)和號超聲速飛機之后，又一款投入市場的超聲速客機，從圖紙到實物，超聲速客機的商業(yè)化運營之路還有哪些難關(guān)需要攻克成為了業(yè)界熱議的話題。

重燃超聲速夢想

人類首次成功研制出超過聲速的飛行器是在二戰(zhàn)時期。1943年，美國研制的X-1驗證機第一次實現(xiàn)了飛行速度1.06馬赫，這是飛行器速度首次突破聲障。

X-1 驗證機的成功激發(fā)了人類研制民用超聲速客機的熱情。1956 年，英國成立了“超聲速運輸飛機委員會”，該委員會聯(lián)合英國皇家飛行研究院和布里斯托爾飛機公司，共同研制超聲速客機。一段時間后，英國政府發(fā)現(xiàn)僅憑一己之力難以實現(xiàn)突破，因此在歐洲范圍內(nèi)尋求合作伙伴。

1962年，英法兩國簽署協(xié)議，雙方?jīng)Q定合作研發(fā)超聲速客機。由于多方面原因，研發(fā)過程并不順利，雙方在技術(shù)、理念上都有不小的分歧。就在同一時期，蘇聯(lián)也在研發(fā)超聲速客機。1968年，蘇聯(lián)研制的圖-144超聲速客機成功首飛，1975年投入商業(yè)運營，開辟了航空史上的新時代。

由于飛機穩(wěn)定性差、事故率高等原因，圖-144在投入運營3年后就退出了航線。而英法兩國在經(jīng)過十多年努力后，終于研制出協(xié)和號超聲速客機。1976 年，協(xié)和號超聲速客機完成了首個商業(yè)航班。

當(dāng)時，協(xié)和號飛機主要用于從倫敦希思羅機場和法國戴高樂機場往返紐約肯尼迪國際機場的航線。飛機能夠在1.5萬米高空以2.02倍聲速巡航，從巴黎飛到紐約只要3小時20分鐘，比普通民航客機節(jié)省近一半時間。然而，協(xié)和號飛機也存在著一些重大缺陷，如高昂的運營成本和噪聲過大等問題。

2000年，法航4590號航班空難成為壓垮協(xié)和號的最后一根稻草。在諸多因素的影響下，英航和法航?jīng)Q定于同年結(jié)束協(xié)和號飛機27年的商業(yè)飛行生涯。盡管結(jié)局有些悲慘，但不可否認，協(xié)和號飛機仍然是世界航空工業(yè)發(fā)展史上一個重要的里程碑。

十多年后，一個名叫Blake Scholl的航空極客開始思索如何在節(jié)省一半成本的前提下，讓超聲速客機重現(xiàn)輝煌。

2014 年，Blake Scholl 在美國丹佛市創(chuàng)立了一家名為 Boom Supersonic的公司，這一次超聲速客機的研發(fā)似乎又離市場近了一步。

Boom的大膽嘗試

Boom公司在研制超聲速客機的原型機之前，先制造了一架名為XB-1的演示驗證機，一方面是希望通過驗證機來驗證設(shè)計原則、駕駛艙人機工程學(xué)、飛行包線等技術(shù)，另一方面也希望其可以延續(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。

考慮到運營經(jīng)濟性，Boom公司設(shè)計的超聲速客機全長52米，翼展18米，巡航速度2.2馬赫，比協(xié)和號飛機更快，最大航程可達8300 公里。飛機客艙布局寬敞，與普通民航客機一樣，設(shè)有觸摸屏、工作臺、艙頂行李架以及更大的舷窗。根據(jù)設(shè)計，Overture 超聲速客機頭等艙可搭載30名乘客，商務(wù)艙可搭載15名乘客。如果客艙全部按商務(wù)艙配置，最多可搭載 55 名乘客。

2016 年，Boom 公司公布了飛機的概念設(shè)計圖。Overture 超聲速客機采用展弦比為1.5的復(fù)合三角翼布局，機身使用碳纖維材料。在Boom公司的設(shè)計下，XB-1的機身最高可承受超過300F149℃的溫度，同時XB-1的流線型設(shè)計可以減小阻力并優(yōu)化飛行效率。動力方面，采用3臺推力為67千牛至89千牛的中涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機。為了降低油耗，發(fā)動機將不帶加力燃燒室。

過去幾年里，不少人質(zhì)疑Overture項目會走協(xié)和號的老路，但 Boom公司表示，由于XB-1 在空氣動力學(xué)、材料和發(fā)動機三方面較協(xié)和號飛機有了相當(dāng)大的改進，因此公司非常有信心這款飛機將獲得商業(yè)成功。

新材料、新技術(shù)與新理念的應(yīng)用

相比依靠風(fēng)洞實驗測試空氣動力設(shè)計的協(xié)和號，Boom采用了計算機虛擬風(fēng)洞試驗，不僅提高了試驗效率，也提高了試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在材料方面，XB-1 驗證機采用與波音787類似的復(fù)合材料，整機質(zhì)量比協(xié)和號要輕了不少。

在動力方面，Overture 將采用先進的渦扇發(fā)動機，與主流亞聲速飛機相仿，對于航空公司來說不必承擔(dān)額外的燃油費用。從目前已經(jīng)完成的模擬飛行結(jié)果來看，與協(xié)和號相比，XB-1驗證機的燃油效率提高了近30%。

從用戶體驗的角度來說，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，每位乘客都可以透過舷窗一睹地球弧線。

此外，XB -1驗證機還采用了前視視覺系統(tǒng)，可創(chuàng)建跑道的虛擬試圖。這一系統(tǒng)包括兩個沉余攝像頭、一個多功能顯示器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，這一技術(shù)相對于之前的協(xié)和號飛機，將大大降低飛行員操控飛機的難度。

同時，為了加快項目進度，Boom公司還大膽采用了3D打印技術(shù)。據(jù)公開信息顯示，XB-1驗證機定制的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包括3700多個零件，其中包括起落架、飛行控制執(zhí)行器和冷卻系統(tǒng)等，為了提高生產(chǎn)效率，Boom公司與Stratasys公司合作通過3D打印技術(shù)大大提高了生產(chǎn)效率，與VELO 3D打印公司合作，研發(fā)通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)可用于飛機關(guān)鍵部位的最終零部件。

針對航空業(yè)對環(huán)保的要求日益嚴苛，Boom公司與合作伙伴一起探索可持續(xù)航空燃料在XB-1驗證機上的使用。Boom的合作伙伴Prometheus燃料公司采用可再生能源中的電能從空氣中提取二氧化碳，去除氧氣，然后將其與氫氣結(jié)合形成碳氫化合物燃料。目前，Boom公司已經(jīng)在地面試驗中對這種可持續(xù)航空燃料進行了測試。

當(dāng)然，XB-1只是驗證機項目，所有的試驗驗證都是為后續(xù)的Overture項目所服務(wù)的。根據(jù)Boom公司公布的信息，Overture超聲速客機的發(fā)動機將由羅羅公司研制，飛機機身63米，座位數(shù)在65個至88個，飛行速度可達到1.7馬赫，飛行高度1.8萬米。

超聲速重返市場仍有諸多挑戰(zhàn)

對于一款商用飛機來說，技術(shù)成功和市場成功兩者缺一不可。超聲速客機面臨的首要問題是乘客接受度和運營舒適性的挑戰(zhàn)。以早前 X-42、X-51 無人試驗飛行器來說，盡管速度能夠達到聲速的7 倍，但將技術(shù)應(yīng)用到商用領(lǐng)域時，還必須考慮到人體的承受極限和對環(huán)境的影響。

目前來看，超音速客機要投入商業(yè)運營還有幾個難關(guān)需要攻克。首當(dāng)其沖的是聲爆和油耗這兩大技術(shù)難題。無論是協(xié)和號還是圖-114，在商業(yè)運營時都由于未能解決好聲爆和油耗的問題，大大降低了市場競爭力。其中，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)系到超聲速客機能否被允許在陸地上空飛行，若噪聲問題得不到解決，超聲速客機就很難被大眾接受。

針對油耗問題，如上文所說Boom公司正在探索使用可持續(xù)航空燃料的可能。但眾所周知，目前可續(xù)持航空燃料的價格要遠高于傳統(tǒng)航空燃油，因此短期來看，Overture項目通過使用可持續(xù)航空燃料的方式來降低燃油成本的可能性很小。

若采用傳統(tǒng)燃油的話，目前在研的超聲速飛機的燃油效率要遠低于傳統(tǒng)飛機。不同于普通商用飛機采用的渦輪 / 渦扇噴氣發(fā)動機，超聲速客機要從零加速到高速，其發(fā)動機必須兼具低速和高速推進加速能力，還要實現(xiàn)高超聲速飛行的水平起降，因此一般只能采用以火箭發(fā)動機為基礎(chǔ)的吸氣式組合發(fā)動機。目前，盡管有多家發(fā)動機制造商已經(jīng)參與了超聲速客機的研制，但距離真正的商業(yè)應(yīng)用還有許多挑戰(zhàn)。根據(jù)美國國際清潔交通委員會的建模測試顯示，每名超聲速客機乘客的燃料消耗量是亞聲速飛機的5倍，這意味著當(dāng)前的發(fā)動機技術(shù)在降低超聲速客機的二氧化碳排放方面還有很大的進步空間。

為了攻克這些技術(shù)難題，近年來航空業(yè)一直沒有停止過探索。如為了降低聲爆，NASA在波音和洛克希德·馬丁公司的支持下，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，將模擬80座級至100座級、Ma1.6至1.8飛機的激波特征。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。Boom公司則正在與羅羅公司合作，雙方希望通過研發(fā)燃油效率更高的發(fā)動機產(chǎn)品來降低超音速客機的運營成本。雙方的研發(fā)目標(biāo)是使Overture超音速飛機的運營成本比協(xié)和號飛機低75%，預(yù)計票價與當(dāng)前民航客機的公務(wù)艙價格接近。