超越音爆：“協和號”後的超音速旅行時代(組圖)

Daphane

來源:科學新時代雜志

一家公司的噴氣式客機將帶領我們進入全新的超音速旅行時代。

　　文字 Clay Dillow

　　2003年10月的一個下午，一架“協和號”客機穿過布滿雲團的天空，降落在了倫敦希斯羅機場。3個半小時之前，這架飛機剛剛搭載著100名乘客從紐約的肯尼迪國際機場起飛。這次旅程是為了紀念一個時代的終結——自1976年以來，這種超音速客機已經以超過1馬赫即聲音的速度，將數以千計的乘客運送到了世界各地。這天的飛行將是“協和號”客機的最後一次飛行。到太陽落山的時候，人類的超音速旅行時代即將暫時終結。實際上，直至今日超音速飛行也沒有重啟。

　　2000年，一架“協和號”飛機從法國戴高樂機場起飛不久後墜毀，造成了113人喪生。很多人都將“協和號”飛機的退役歸咎於這次事故，但實際上導致它退役的最根本原因是，這種歷史上最成功的超音速噴氣式客機並非那麼完美。例如，由於會產生巨大的音爆，它只能在美國上空和歐洲的小部分天空以超音速飛行。而且，它那標志性的三角翼在低速狀態也無法產生足夠的升力，因此設計者不得不用4台體積巨大、油耗高得驚人的二次燃燒渦輪噴氣發動機來彌補這一缺陷。

　　“‘協和號’堪稱是工程上的傑作，”Aerion公司的CEO Doug Nichols說，“但是它也有顯著的缺點。例如，如果這種巨大的飛機要運送100名旅客進行短距離飛行，需要大量燃料。從商業角度上講，這太不經濟了。”

　　“協和號”的失敗給航空工業留下了巨大的心理創傷。盡管之後波音、達索、灣流等公司先後都設計過帶有更安靜發動機的超音速客機方案，但是這些設計從未真正成行。實際上，幾乎所有公司都在等待美國航空管理局(FAA)和世界其他主要航空管理機構重新修改對音爆的管理條例。

　　但是，Aerion並沒有像其他競爭對手那樣“守株待兔”。這家公司積極地開發了一種超音速商用噴氣式客機，並計劃在2021年將其交付給客戶。通過制造一種具備極高燃油效率的超音速客機，該公司已經遠遠走在了管理者和市場的前面。

去年春天，Aerion公司聯合美國航空航天局，在愛德華茲空軍基地對NLF機翼設計進行了試驗。他們將一副帶有傳感器的機翼安裝到了一架F-15戰鬥機上，讓它以超過2.0馬赫的速度飛行。

　　去年春天，Aerion公司聯合美國航空航天局，在愛德華茲空軍基地對NLF機翼設計進行了試驗。他們將一副帶有傳感器的機翼安裝到了一架F-15戰鬥機上，讓它以超過2.0馬赫的速度飛行。

　　無法忽視的音爆


　　超音速飛行所面臨的困難可以追溯到最基本的空氣動力學問題：空氣是如何在飛機周圍流動的。尤其是當飛機的速度接近音速時，對氣流的控制就更加困難。流過機翼上下表面空氣的流速差提供了飛機離開地面所需要的升力，與此同時，空氣與機翼和機身之間的摩擦力也為飛行帶來了阻力。隨著飛行速度的增加，阻力也會越來越大。因此，飛機速度越快，推動飛機在空氣中飛行就越困難，所消耗的燃料也就越多。

　　當飛機的速度超過音速時，第二個問題出現了：在機首和機尾積聚的壓力波會產生強烈的音爆。與大多數人的理解不同，飛機並不僅僅是在突破音障時會產生音爆。實際上，在飛機以超音速飛行的過程中，始終會制造出壓力波。盡管對個人來說，只有在飛機飛過頭頂時才會聽到一次音爆，但是從其影響範圍來看，飛機航線兩側40千米範圍內下方的人都能聽到音爆的巨響。

　　今天，各個國家的航空管理局對民航客機產生的音爆的管理方法不同。聯合國下屬、負責制定世界航空標準的國際民航組織，目前禁止民航客機制造出在地面上能聽到的音爆，但是並未從法律上禁止超音速飛行。FAA則乾脆禁止民航客機以1馬赫以上的速度飛行(私人太空飛行公司除外)。美國航空航天局和國際民航組織所進行的研究可能會導致一個可操作的標準出台，對超音速飛行所產生的噪音進行規範——究竟多大的音爆是可以接受的。但這一天還很遙遠。

　　“協和號”回避了這個問題——它僅在對音爆沒有要求的地方(通常是在海洋上空)以超音速飛行。但實際上，在大陸上方以非常高的速度和效率飛行在商業上也是可行的。此外，還有很多工程師在嘗試降低音爆的強度——一旦FAA放寬了要求，這種方法也是可行的。美國航空航天局已經與諾斯羅普·格魯門公司和美國國防部預研局一起，對一種名為“音爆修形驗證器”的機身形狀進行了試飛，這種設計能在一定程度上減小音爆。灣流公司則申請了一種飛機鼻錐的專利，它會在飛機進行超音速飛行時伸出，能夠將大的沖擊波分成若乾小沖擊波，從而減小音爆。

　　Aerion對上述這些方案並不感興趣。他們認為，就算這些方案真的能將音爆降低，但仍然無法解決燃油效率問題，而後者才是商業上取得成功的關鍵。“任何將音爆降低的機身設計在飛行中所產生的阻力，都比高音爆機身設計大。”該公司的試驗主管Jason Matisheck說。基於這種認識，這家公司採用了另外一種截然不同的設計思路：不去理會音爆，直接設計具有最高燃油效率的超音速客機。

　　更高的燃油效率

　　為了設計出一種超高效率的超音速客機，Aerion公司的工程師利用了一種過去在飛機設計中被認為是難以被利用的氣流。在機身與空氣之間，存在著一個被稱為邊界層的薄薄的氣流。在這層氣流沒有受到擾動的時候，會平穩地環繞在機身周圍，工程師們也稱之為層流。在絕大多數飛機上，層流會很快變成紊流，進而產生阻力。換句話說，飛機的天然層流(NLF)保持得越好，飛行過程中的燃油效率就越高，尤其在高速飛行過程中更是如此。

　　上世紀70年代，工程師們開始更仔細地研究NLF。通過一系列試驗，包括Aerion公司的首席技術官Richard Tracy、NextGen AeroSciences公司CEO Bruce J. Holmes、美國航空航天局的資深專家在內的工程師們發現，可以通過重新設計飛機部件來利用NLF。之後，波音、達索和空客等飛機制造商開始涉足這一領域，探索NLF的應用限制，並將研究結果應用於飛機概念和設計之中。但是，Aerion卻是第一家在超音速客機設計中優先考慮利用這種氣流來提高飛行效率的公司。

　　通過改變機翼的位置、機身和發動機艙的形狀，該公司的工程師們將流過超音速公務機(SBJ)機身附近的NLF優化了約60%。這一變化大大提高了超音速飛行過程中的燃油效率。Holmes將其稱為是Aerion公司的設計方案中最重要的創新——非後掠翼。其他超音速飛機的三角翼都是筆直地向尾部延伸，而SBJ的薄翼幾乎與機身呈垂直狀態。這種機翼設計比“協和號”的機翼擁有更好的燃油效率——“協和號”的機翼為超音速飛行進行了優化，但是在亞音速狀態下，其油耗高得驚人。

　　通過計算機模擬和風洞模型試驗，Aerion公司進一步優化了SBJ的設計。他們將一副SBJ的機翼安裝到一架F-15戰鬥機上，在天空中測試了飛機的性能提升。所有這些努力將帶來一種在兩個速度階段(超音速和略低於音速)都具有最佳燃油效率的飛機。

　　在大洋上空，SBJ將以1700千米/小時的速度飛行——從紐約到北京只要6個小時左右。但是由於SBJ依然會產生音爆，因此當它在美國大陸上空的時候，會以0.98馬赫(1120千米/小時)的速度飛行，在這段航線上的飛行時間只會比普通客機少1個小時(普通民航客機的巡航速度約為880千米/小時)。一旦離開大陸，它將立即恢復超音速飛行。

　　Aerion公司希望能在2021年左右將第一架SBJ交付給客戶——屆時國際民航組織很可能會放寬在歐洲大陸上空飛行時的音爆要求。到目前為止，已經有約50家客戶表達了對SBJ的興趣，並預繳納了25萬美元的訂金。一旦SBJ開始在美國的空域飛行(以及在歐洲和其他地區以超音速飛行)，FAA很可能也會跟隨國際民航組織的步伐，放寬對音爆的限制。

　　但是，無論是Nichols、Tracy，還是Aerion公司的其他成員，都沒有寄希望於FAA管制的放寬上。無論有沒有音爆，他們都打算讓SBJ沖上雲霄。

Aerion公司設計的超音速客機的機身將會採用復合材料和鋁制造。9米長的機艙內可容納12名乘客。


　　Aerion公司設計的超音速客機的機身將會採用復合材料和鋁制造。9米長的機艙內可容納12名乘客。

　　音爆聽起來究竟是什麼樣？

　　我們請飛行專家來談談他們對超音速飛行最深刻的印象。

　　“想象一下就在你頭頂發生的雷暴：帶著炫目的閃電和轟隆隆的雷聲，將雷聲連起來——轟、轟——常規的音爆差不多就是這個樣子。再想象一下在遠方發生的低沉的雷聲，低音爆飛機聽起來差不多就是這樣。”

　　——美國航空航天局郎利研究中心Peter Coen

　　“在我看來，那種感覺就像是兩面大鼓在你耳邊不停地敲響。在沒有風的時候，聲音簡直震耳欲聾；而有風的時候，聲音好像是被蒙了起來一樣含糊不清。”——NextGen AeroSciences公司CEO Bruce Holmes

　　“典型的N波音爆聽起來就像是沒有後續轟隆聲的炸雷。它會吸引你的註意力並嚇你一跳，但是還沒有近處突然出現的閃電那麼嚇人。”——Aerion公司Jason Matisheck