低聲爆飛機首飛在即，超音速旅行指日可待？_風聞
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撰文 | 崔凱（中國空氣動力學會 科學傳播和普及工作委員會主任）
2024年1月12日，美國國家航空航天局（NASA）正式推出了X-59低聲爆研究飛機。這架飛機是在NASA“安靜超音速技術（QueSST, Quiet Supersonic Technology）”項目的支持下，由洛克希德·馬丁公司研發和製造。
對於這架飛機，NASA發佈的新聞稿稱：“X-59是一種獨一無二的實驗飛機，它不但可以展示其具備超音速飛行的能力，還將表明其僅會產生輕柔的聲音，而不是響亮的聲爆”。該項目的負責人凱瑟琳·巴姆（Catherine Bahm）則表示：“這架飛機的推出是Quesst任務中實現消除聲爆總體目標的一個巨大里程碑。”NASA總部負責航空研究的副局長鮑勃·皮爾斯（Bob Pearce）更是宣稱：“對於從這項獨一無二的任務中所獲得的數據和技術，NASA將與監管機構和行業共同分享。我們也將展示其具備在陸地上方進行‘安靜’超音速飛行的能力，並尋求為美國公司打開新的商業市場，使世界各地的旅行者受益。”
面對如此鋪天蓋地的宣傳，我們不禁會提出一系列問題：為什麼X-59飛機會受到如此關注？這架飛機能夠實現什麼樣的功能？它的名字為什麼以X開頭？這是否意味着闊別商業航空二十餘年的超音速飛機即將再次“返航”？本文將對上述幾個問題一一解答。
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為什麼X-59飛機會受到如此關注？
X-59飛機重新喚起了人們對超音速商業飛行的記憶和嚮往。
自1903年萊特兄弟發明第一架飛機以來，過去的一百多年中，對於飛行速度的追求幾乎成為了永恆的主題。度量飛機速度一般使用馬赫，也就是聲速的倍數。目前商業航運飛機的速度都低於聲速（一般在0.8至0.9馬赫之間），如果一架飛機的飛行速度比聲速還要快，我們就稱其為超音速飛機。
之所以採用聲速作為飛行速度的度量單位，是由於在飛行過程中，飛機會不斷對周圍的氣流產生擾動，這些擾動又會以聲速在空氣中向更遠的地方傳播，故而飛行速度與聲速之間就形成一種緊密的聯繫。因此，用聲速來度量飛機的速度就成為一種合理且最佳的選擇。當飛機的飛行速度接近或者超過聲速後，其周圍的空氣流動會產生突變，併產生一種名為激波的物理現象。
激波的出現會導致飛機的阻力劇增，阻礙其飛得更快，因此很多人曾一度以為飛機的速度永遠不會超過聲速，甚至給這種現象起了一個名字叫做“聲障”。
不過，這一錯誤認識很快就被打破。1947年10月14日，美國空軍試飛員查克·耶格駕駛X-1火箭飛機飛出了1.06馬赫的速度，實現了有人駕駛飛機的首次突破聲障。
在這之後，伴隨着噴氣式發動機的發展，超音速飛行基本上成為了戰鬥機的標配性能。
相比之下，民航飛機的速度提升則緩慢得多。迄今為止，歷史上僅出現過兩種超音速民航飛機，一種是英法聯合研製的協和式飛機，另一種是前蘇聯研製的圖-144飛機。後者據傳在研製中曾“秘密參考”了很多協和式飛機的技術，所以也被戲稱為“協和斯基”。圖-144在某種意義上屬於政治產物，存在問題很多，因此飛行了幾十次以後就草草收場。協和式飛機的壽命則要長很多，從1976年開始投入商業服務，至2003年結束最後一次飛行，運營時間長達27年。
協和式飛機的飛行速度可以超過2馬赫，比地球自轉速度還要快，從紐約到巴黎僅需要三個多小時。由於時差的存在，因此在某些航班中，其落地時的當地時間比出發時的當地時間還要早，給乘客的感覺是“還沒出發就已經到達了”。正是這種獨特的高速飛行體驗，使得協和式飛機頗受當時高端人士的追捧。
然而，儘管體驗很獨特，但協和式飛機在實際運營中卻存在一個致命的問題，就是虧損。當時英國和法國的航空公司每年在協和式飛機的運營上，虧損可達到4000-5000萬美元，如此巨大的負擔迫使協和式飛機最終黯然退出歷史舞台。導致虧損的原因中，最重要一個就是聲爆問題沒有解決。而這也是制約超音速商業飛行發展的主要瓶頸。
X-59的出現將有可能改變這一局面，推動超音速民機以更快的步伐重回歷史舞台。
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X-59能實現什麼樣的功能？
X-59是採用低聲爆設計的超音速試驗飛機。
聲爆（也稱音爆）是超音速飛行中的特有現象。從前面的圖2可以看到，超音速飛行的時候，飛機的許多部位與空氣作用都會產生激波，這些激波在空氣中不但向外傳播，而且會不斷地相互作用和合並，最終匯聚為兩道更強的激波，分別稱為頭激波和尾激波。由於強激波兩側的壓力差別非常大，當這兩道強激波傳到地面的時候，就會對地面的各種設施和生物帶來影響。如果傳到人的耳朵裏，則體現為兩聲巨大的爆炸聲。
最早關注這一現象的是一個名叫傑拉爾德·B·懷特森（Gerald B. Whitham）的英國研究生，他不僅分析並解釋了這一現象，甚至通過理論分析提出了計算預示方法。1956年，美國空軍在愛德華茲空軍基地進行了聲爆飛行試驗，這也是已知最早的聲爆飛行試驗。雖然當時所用的測量設備比較簡單，但試驗結果和理論分析基本吻合，之後的飛行試驗和地面試驗也都進一步驗證了其理論。
20世紀50年代，隨着超音速戰鬥機的庫存量和飛行測試需求不斷增加，大量的飛機在美國各基地周圍進行試飛，聲爆開始引起公眾的關注和反感。據資料記載，在1956年至1968年間，美國空軍共收到了約38831項關於聲爆的索賠，其中全部或部分批准的為14006項。索賠理由主要為聲爆導致玻璃破碎、泥灰牆損壞，以及物體墜落等。這些索賠案例中也包含一些奇怪的理由，比如居民投訴聲爆導致其寵物死亡或牲畜發瘋等。
聲爆問題迫使美國聯邦航空管理局（FAA）在1973年實施了一項禁令，即禁止民用飛機在美國陸地上空飛行速度超過1馬赫。依據這項規定，即將投入運營的協和式飛機的航線受到極大限制，其所帶來的打擊幾乎是致命的，因為航線選擇的減少意味着客流量的大幅縮減和運營成本的大幅提高。
正因為這一問題的重要性，美國政府自上世紀60年代開始就針對其開展了大量研究，並一直持續至今。相關研究涉及多個方面，包括：（1）進行飛行試驗，以更好地量化研究相關流體動力學和大氣物理現象；（2）進行社區調查，從受干擾的樣本人羣中收集民意數據；（3）建立和使用聲學模擬器，對人和結構的響應進行評估；（4）對家畜和野生動物可能產生的影響進行實地研究；（5）開展地面實驗，並結合試飛數據綜合分析，完善理論結構並建立數學模型。
這些研究的核心是低聲爆的飛機設計技術，也就是採用相對合理的外形改變激波形狀和強度以降低聲爆。這一研究歷程長達幾十年之久，最終得出的主要結論是將飛機頭部的形狀進行合理的優化（如將下顎部分設計為類似於鵜鶘鳥嘴部的形狀），以及將頭部加長。這兩種機頭設計方式都經過了大量的計算仿真和風洞試驗。在本世紀初，通過改裝F-5E戰鬥機和F-15B戰鬥機，這兩項技術分別開展了飛行試驗，驗證了其抑制聲爆的有效性。
X59全長29米，機翼展開9米。從NASA公佈的X-59真機圖片看，應該綜合使用了上述兩項技術，也就是説，既採用了細長的頭部設計，也對其頭部的形狀，特別是下顎部分進行了優化設計。除了這一明顯特徵以外，X-59還採用了較小的機翼面積和較大的向後傾斜角度（後掠角），以及將發動機置於飛機的背部等設計，這些都將有益於改善激波形狀和強度，從而有效抑制聲爆。據稱，相比於傳統的超音速飛機，X-59所產生的聲爆將會從“轟隆的雷聲”降低為“輕柔的關車門聲”。
為了消除聲爆和減小空氣阻力，超音速飛機的機頭需非常尖長，這會嚴重干擾飛行員的視野。為解決這一問題，X-59座艙前方的窗户用一塊高清全景顯示器取代，飛行中實時顯示來自前置攝像頭的圖像，提供前方視野。
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飛機的型號為什麼以“X”開頭？
X-59是一架研究型飛機。
美國的軍用飛機最初是由各個軍種分別獨立編號，即陸軍、海軍和空軍都有自己的飛機命名和編號規則。隨着飛機在作戰中的地位越來越重要，各軍種所採購和使用的飛機種類及數量都大幅增加，因此生產商所生產的某型飛機可能同時提供給不同的軍種使用。在當時環境下，經常會為了適應不同軍種的規則，而對相同的飛機採用不同編號的情況，這就給管理帶來了很大的麻煩。
為了改變這種混亂的局面，1962年，美國三軍根據美國國防部的命令並參考之前的規則，對軍用飛機的編號方法進行了統一。此項工作由空軍具體負責，後續也不斷地修訂。按照這一規則，一架軍機的編號主要由機種代號、設計代號和其他代號組成。機種代號大多為一個字母，如A代表攻擊機、B代表轟炸機、C代表運輸機、F表示戰鬥機等。設計代號則按照設計時間的先後順序編號，列於機種代號之後。此外，後面還按實際情況增加改型代號等等附加信息，例如前面提到的F-5E和F-15B都是依據這種規則而命名。
這個編號框架內幾乎所有的飛行器均具有明確的實際作戰使用指向，比如攻擊、轟炸、運輸、電子戰等等，而X系列飛行器是唯一的例外。這類飛行器僅僅是為了探索或者研究某項新技術而研製，依託這一類飛行器所研發的新技術會被移植到其他實際飛行器使用。X這一字母源自英文“探索（explore）”一詞的第二個字母，同時X在數學中一般也代表未知量，由此不難理解，所有的X飛行器都肩負着探索新技術和研究未知問題的使命。
探索的結果可能是歷史性的突破。例如第一架X飛行器就是前面提及的首架有人駕駛並且突破“聲障”的飛機X-1，該飛機直接推動了超音速飛機的發展；再如上世紀五六十年代研製的X-15高超音速飛行器曾總計飛行199架次，第一次實現了載人有控飛行器的高超音速飛行，為後續的航天飛機研製積累了大量經驗和數據；進入新世紀以來，X-43A和X-51A飛行器則分別首次實現了氫燃料和碳氫燃料動力的吸氣式推進高超音速飛行，為高超音速飛機的研製夯實了基礎。
探索之路也一定不會總是坦途。歷史上也有大量的X飛行器遭遇失敗或者中途夭折。一個典型的實例就是X-30飛行器，其目標是建造一架從跑道水平起飛並一直飛入太空的單級入軌飛行器。由於初期論證過於樂觀，沒有充分預估巨大的技術難度，導致此項目歷經十年，花費數十億美元，最終以失敗收場。不過這一項目直接牽引了計算機仿真技術、吸氣式推進技術和新材料的飛速發展，為後續X-43A和X-51A的成功埋下了伏筆。
從X-59被賦予X系列的編號就可以知道，這架飛機的用途就是研究聲爆問題並驗證其相關的設計技術，而並非一架超音速民用飛機的原型機。實際上，X-59飛機僅是QueSST項目所研發的產品之一，其飛行試驗也並非這一項目的全部。從公佈的信息中可以獲知，後續的飛行試驗將通過大批鋪設地面測試設備來收集X-59的聲爆信息。為此，研究人員將在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心附近的30英里沙漠中建立了10個麥克風站，這些設備的研發也是這個項目的組成部分。
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超音速民用飛機何時“返航”？
即便X-59的飛行試驗取得巨大成功，也並不意味着超音速民航飛機的迴歸指日可待。
首先，X-59的推出僅表明這架飛機的研製完成。按照QueSST項目的研製計劃，這僅僅完成了該項目所含四個階段的第一步。後續還將依次開展其餘三個階段的研究，包括聲爆性能飛行驗證（階段二）；飛越選定的美國城市，並要求居民分享他們對X-59發出聲音的反應，瞭解這種技術的公眾接受性（階段三）；以及向美國和國際監管機構提供社區反應數據的完整分析，供其作為陸地上安靜超音速飛行的新規則制定參考（階段四）。整個項目預計將於2030年才全部結束。
其次，從X-59飛機的定位就可以知道，其功能主要是驗證低聲爆設計技術，而並非是超音速民用飛機的原型機。據NASA方面的計劃，期望在2031年的國際民航組織航空環境保護委員會（CAEP）會議上，提出新的噪聲標準。如果獲得批准，研發實用飛機大概用時10年，最早可能在2040年左右推出超音速民用機型。這將是一個較為漫長的過程。另外，雖然以美國Boom公司為代表的民營公司已經開始正式研製超音速民用飛機，並已在當地時間2024年3月22日完成其XB-1飛機的首飛，但從其外形而言，無法看出典型的低聲爆特徵，且在其公佈宣傳信息中，也未提及聲爆特性。儘管該公司聲稱目前已收到130份訂單，並將於2029年正式投入商業運營，但屆時能否獲得適航許可仍是未知數。
第三，超音速民用飛機的運營不僅僅涉及技術層面和經濟層面，更是一個社會問題。超音速飛行阻力劇增，因此燃料消耗也相應增加，這會帶來廢氣排放量的增加。加之此類飛機的飛行高度一般在海拔18公里左右，已接近臭氧層密度較高的區域，是否會帶來新的環境污染問題也將是後續的研究重點。在全球範圍內對環境保護日益重視的大環境下，這一問題對超音速飛機的發展也將產生極大的影響。
不過，除美國以外，中國對超音速民機技術也正在研發，在2019年中國科協正式發佈的20個重大科學問題和工程技術難題中，其中一項就是“綠色超音速民機設計技術”。據中國航空研究院相關專家透露，中國已突破了音爆高精準度預測、低阻力低音爆設計等綠色超音速民機的核心關鍵技術。因此，儘管目前尚無法給出超音速民機迴歸的具體時間表，但相信在不久的將來，綠色超音速民機定將重回藍天，為人類提供更快速、更舒適、和更加綠色的出行工具。
參考文獻
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[7] https://news.cri.cn/uc-eco/20190701/6eaede1a-6e64-dd98-4ea8-906a43b92a7a.html
本文受科普中國·星空計劃項目扶持
出品：中國科協科普部
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