未來全球旅行的新希望——高超音速商用飛機_風聞

作者：蘭順正

首發自：臨空視野

1 月 13 日美國國家航空航天局（NASA）發佈公告，在洛克希德-馬丁公司位於美國加州棕櫚谷的臭鼬工廠內，正式揭幕展示 X-59靜音超音速飛機。該團隊稱將利用收集到的數據徹底改變航空旅行，為新一代可超過音速飛行的商用飛機鋪平道路。可以看出，此類消息預示着高超音速商用飛機已經越來越近了。

跑贏晨昏線的客機

高超聲速飛機通常指採用吸氣式動力、最大飛行速度5馬赫以上、可在臨近空間長時間進行高超聲速巡航飛行的飛機。由於此類飛行器具有高速、水平起降、可重複使用等特徵，因此有着巨大的前景。

高超聲速飛機將會大大節省遠距離通勤所需要的時間。在理論上高超聲速飛機從機場起飛，兩小時內能降落在世界上任何其他一個機場。其實，雖然目前高超聲速客機還在研製中，但在此前民眾就已經體會過高速空運帶來的便捷。如在歷史上，英法聯合研製的協和式超音速客機和蘇聯圖－144超音速客機就都曾投入過運營。其中協和式飛機於1976年初開始商業飛行，該飛機的機翼採用三角翼，機翼前緣為S形，無水平尾翼，專門研製的四台大推力渦輪噴氣發動機使其可以達到2180千米/小時(音速2倍)的高速。協和式一共生產了20架，主要負責橫跨大西洋的航線。由於協和式飛機的巡航速度比晨昏線的移動速度更快，令它能夠追上和超越地球的自轉，在西行航線上，以當地時間計算，抵達時間往往比起飛時間早，這就是協和式乘客津津樂道的“降落在起飛之前”奇觀。而蘇聯的圖-144超音速客機也在1975年12月26日完成了世界上第一架次超音速客機的商業飛行。

不過，當時的超音速客機雖然快，也存在着一些重大缺陷，如發動機的耗油率高、環保不達標、噪聲過大等，這也為其後來的黯然退場埋下了伏筆。像蘇聯圖-144在幾次災難性事故後，僅服役數年就停止了飛行。而在2000年7月25日，法國航空公司AF4590航班的一架協和式飛機在巴黎戴高樂機場起飛後兩分鐘起火墜毀，造成機上109人以及地面4人喪生。經此一役，協和號一蹶不振，不久就退出了歷史舞台。

雖然兩位“前輩”先後失敗，但是在全球化趨勢愈發明顯的今天，高速度對於人們出行和商務往來依然有着巨大吸引力，因此相關的企業早已開始了新型超音速客機的研發。在2016年，美國Boom公司就公佈了其設計的超聲速客機概念圖——Overture，該飛機採用複合三角翼佈局，機身由碳纖維材料製造，全長52 米，翼展18米，裝備3台推力為67～89千牛的中涵道比渦輪風扇發動機，巡航速度2.2馬赫，最大航程8300千米，最多可搭載55名乘客。

除了Boom公司，波音也在一直不遺餘力地推進超聲速飛行器的研製。在2022年1月舉行的美國航空航天學會(AIAA)的年度科技論壇和博覽會上，波音公司推出了一種可重複使用的高超音速飛機的新模型，並在推特上發佈了新模型的幾張照片。波音透露，這款高超音速飛機可能用來執行軍事和商業任務，包括作為太空發射母艦發揮作用，“是一種精密的、更現實的5馬赫可重複使用的吸氣式設計”。

另外在2022年5月，雷神技術公司投資了Hermeus公司，該公司目前在研製第一架被稱為“Quarterhorse”的能夠以五倍音速飛行的可重複使用飛機。有消息指出，Quarterhorse會使用基於GEJ85商用渦輪噴氣發動機研發的碳氫燃料渦輪基衝壓組合發動機（TBCC），並將成為第一架擁有TBCC推進系統的同類飛機。該飛機將採用鈦合金結構來承受高超音速，還會採用高度流線型三角翼設計，航程為7400公里，未來會被用於運輸時間緊迫的貨物和軍事偵察，以及高超音速商業通勤。

跨過音爆門檻的X-59

超音速技術要想用之於民，有些門檻是必須要跨過的，其中較為重要就是音爆問題。音爆是物體在空氣中運動的速度突破音速時產生衝擊波所引起的巨大響聲。較強的地面音爆會影響生態環境和人類正常的生活工作，嚴重時甚至會破壞建築物。據測試，上文中的協和式客機在16000米高空以兩馬赫飛行時產生的音爆對地面產生的壓強高達100帕，相當於給一塊一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力（所以協和式也被美國、馬來西亞等多個國家禁止在陸地上空作超聲速飛行）。因此新一代超音速客機需要解決的首要問題就是音爆。目前，音爆抑制技術主要有主動和被動兩類。主動技術通過能量注入來抑制音爆，如通過激光脈衝的方式向超聲速流場中注入能量，改變原本的激波結構，避免飛機各部件產生的激波相互疊加和干擾，以降低音爆強度。被動技術則以靜音錐為代表，主要通過在機頭安裝若干可伸縮的圓錐體和圓柱體，通過使機頭原本較強的弓形激波變為若干道弱激波，並避免聲爆傳播過程中出現激波疊加和干擾的方式來抑制音爆。

而此次文中開頭提及的X-59靜音超音速飛機，就是美國國家航空航天局（NASA）與洛克希德-馬丁公司為有效解決音爆帶問題而共同開啓的項目，項目的總體目標是通過X-59驗證機，來測試和驗證降低聲爆技術，確保飛機在巡航飛行期間的可感噪聲在可接受範圍之內，並建立一個地面社區對超聲速飛行的反應數據庫，為美國聯邦航空局（FAA）和國際民航組織（ICAO）在2025年制定超聲速飛行噪聲標準提供參考和依據。據悉NASA為X-59項目提供了高達2.47億美元的資金。

資料顯示，這架技術驗證機的體積並不大，長28.65米，翼展9米，最大起飛重量14.7噸，裝備一台F414-GE-400渦扇發動機。該機長而細的機體設計是其突破音障時不會產生巨大噪音的關鍵，X-59採用與協和式相似的長尖機頭和後掠機翼。NASA阿姆斯特朗飛行研究中心航空航天工程師艾德·海林表示：“X-59在超音速飛行時，機體多個部位仍會產生多個衝擊波，但精心設計的機體將保證這些衝擊波不會疊加在一起，防止出現強大的音爆”。按計劃，X-59可以在55000英尺（16800米）的高度上以1.5馬赫的速度飛行，飛行時的噪音則將降低到60-65分貝，地面上的人們聽到的只是一聲像汽車關門那種“砰”的聲音。臭鼬工廠飛行演示項目經理彼得·約瑟菲迪斯表示，“該項目的開始，標誌着安靜的超音速商業旅行將迎來巨大飛躍”。另外由於X-59流線型極強的設計，飛行員需要使用增強型視覺系統來獲取外部視野，這個系統由4K攝像機提供。

有分析認為，作為未來航空未技術的試驗枱，X-59如果成功，它可能會影響監管變化，將允許商業超音速飛機在陸地上空飛行，從而開闢新市場，這可以通過大幅減少旅行時間來使世界各地的旅行者受益。此外，X-59的技術可能會滲透到其他航空領域，影響未來的飛機設計，並可能導致新一代更快、更安靜的飛機。