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超音速飞机想再次上天 ?解决音爆是首要问题

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距离世界第一家超音速客机协和式飞机退役已经有15年的时间。而现在,包括初创企业的诸多航空公司已经开始行动起来,期望超音速客机再次飞上蓝天。协和式飞机Concorde Alpha Foxtrot已经有15年时间没有飞上蓝天了,但它看起来仍然像是从遥远未来而来的飞行器。

图示:停放在英国布里斯托尔航空博物馆的Alpha Foxtrot协和式飞机

当你走进位于英国布里斯托尔的航空博物馆时,你会立刻注意到Alpha Foxtrot协和式飞机那引人注目的性感线条。尖锐的机鼻向后延展开来,变成了细长的机身,宽大的三角状机翼略微倾斜向地面。再往后,流线型的短舱内隐藏着巨大的发动机和倾斜的尾翼塔,尾部逐渐变细汇聚成另一个点。虽然协和式飞机运营的时间不长,但却代表了一个时代的惊人技术进步。

如果你后悔自己没有乘坐过迄今为止唯一的超音速客机飞越大西洋,现在你所能做的只是坐进Alpha Foxtrot飞机的客舱,或者其他一些分布在世界各地博物馆里的协和式飞机,感受其曾经的辉煌。

是的,你只是在体验。但事实上,目前几家公司正在努力将超音速商业旅行的梦想带回现实。这份名单中,既有像洛克希德·马丁公司这样的老牌航空航天公司,也有不少初创企业。但它们都有一个共同的目标:设计一种比协和飞机更廉价、更安静、更环保的超音速客机,同时尽量减少音爆带来的麻烦。最后一点是最复杂的,每个公司都在以不同的方式开展这项工作……但改变是在空气中,或者至少是在跑道上。

解决低空音爆问题

距离洛克希德·马丁公司制造第一架L-1011客机已经过去了近半个世纪,但该公司现在正在考虑重返商业航空领域。通过与美国国家航空航天局(NASA)在4月份宣布开展合作,该公司目前正在建造一架试验飞机,设计出一种能以超音速飞行的安静飞机。该项目名为低音爆飞行验证机(Low-Boom Flight Demonstrator,也被称为LBFD或X-59 QueSST),计划于2021年进行首次飞行,其可能是超音速客机回归的第一步。

图示:洛克希德·马丁公司的低音爆飞行验证机(Low-Boom Flight Demonstrator,也被称为LBFD或X-59 QueSST)设计巡航高度55000英尺,巡航速度1.4马赫。

洛克希德公司LBFD项目经理彼得·约西菲迪斯(Peter Iosifidis)表示,要使超音速旅行在经济上可行,减轻陆地上空的飞机音爆影响至关重要。只有在超音速飞行时更为安静,美国和其他国家的政府才会考虑修改限制或完全禁止商业航空在陆地上空超音速飞行的立法规定。这些规定限制了协和式飞机只能在纽约、巴黎和伦敦之间飞行,使其失去了全球客户群体。

他说:“如果你没有一架低噪音的飞机,而只是在海上才能实现超音速飞行,你就限制了超音速飞机在任意两个城市之间的飞行。只服务全球三分之一人口的商业模式最终是行不通的……你必须让全球所有客户满意。”

为了缓解超音速飞机的噪音问题,洛克希德·马丁公司和美国国家航空航天局都承诺LBFD的音爆将比协和式协和式飞机所发出的雷鸣般噪音要安静得多,他们坚持,这种验证机的音爆听起来更像是汽车门砰的一声关上的声音。对于地面上的LBFD观测者来说,即便他们注意到什么东西,也只能观察到非常缓慢的气压上升,而不是形成协和式飞机音爆的两个剧烈压力脉冲。

“还有其他因素可能会起作用,比如大气条件和背景噪音,”约西菲迪斯说。“你甚至可能无法区分(声音)到底是音爆还是车门砰的一声关上了。”

制造LBFD飞机的关键在于它的外形设计。长而尖的机头,锐利的侧翼和鸭翼形状的布局(主机翼前摆的小机翼)能够确保飞机以超过1马赫速度飞行时产生的单个压力波不会会聚在一起,从而也导致传统的音爆。除此之外,LBFD和其他超音速飞机并没有很大区别。它不是由特殊的材料制成,使用的也是通用电气现有的F414发动机。

“音爆高低直接取决于飞机的形状,”约西菲迪斯说。“如果飞机更短,我们就无法像我们设想的那样将这些冲击波分开。”

LBFD上的机鼻是如此尖锐,以至于驾驶舱并没有惯常的开阔视界。所以这款验证机并没有采用挡风玻璃,而是使用一个叫做外部视觉系统的监视器,美国国家爱航空航天局会向该型验证机提供此类系统。事实上,协和式飞机的长鼻子也出现了类似的问题。但设计人员在着陆过程中让机鼻下降,让飞行员能够看到跑道,从而绕过了这个问题。

美国国家航空航天局商业超音速技术项目项目经理皮特科恩(Peter Coen)说,在此次合作中,美国国家航空航天局的任务是设计使超音速客机再次成为现实的通用技术。至少目前看来,最终谁将使用这种技术制造出一架载客飞机并不重要。

科恩说:“我们的目标是让超音速客机能够高效地在任何航线上飞行,同时也也更加环保。我们正在推广这项技术,希望整个航空航天业可以利用这项技术制造出超越协和式飞机局限性的成功产品。”

图示:飞机产生音爆原理图

2006年,美国国家航空航天局利用现有研究重新启动了超音速飞机的音波衰减研究。自上世纪60年代以来,相关的航空设计和数学研究一直在稳步推进。早期的一个步骤是制造出20英寸长的LBFD设计模型,并预测音爆到达地面时的强度。

科恩说:“我们真正想要的是音爆传导到地面时带来的噪音尽可能低。我们发现了最好的方法……就是控制每个冲击波的强度和位置,使它们在强度上相对平衡。”

洛克希德·马丁公司和美国国家航空航天局将于明年在位于加州帕姆代尔的洛克希德公司臭鼬(Skunk Works )工厂开始建造第一架验证机。臭鼬工厂往往以生产美国空军最隐秘的飞机而闻名,其中包括U-2侦察机、F-117夜鹰战机和SR-71黑鸟战机。

在首次试飞以验证LBFD的适航性之后,洛克希德公司和美国国家航空航天局将开始在人口密集地区进行超音速飞行,以确保飞机的声学性能达到设计水平,并收集公众对超音速飞机低空飞行的反应。目前,这些测试计划将于2022年在爱德华兹空军基地附近开始。

科恩说:“我们真的希望得到尽可能广泛的回应。我们想知道反复进行超音速的飞行的影响是什么。”

音爆问题

音爆是当飞机超音速飞行时产生的冲击波。如果你想要飞机的飞行速度超过音速,那么根本就没有办法绕过音爆。

在飞行过程中,飞机将空气分子推开,产生一系列的压力波,以声速(1马赫)朝各个方向移动。当飞机的速度接近音速时,这些波的速度开始无法超越你的飞机,它们开始压缩在一起,形成一个锥形的冲击波。这就像船在水中移动时的状况:在船速足够慢的情况下,船头产生的波浪比船速度快,会保持在船头前面。但是一旦船开始快速移动,波浪就无法前进并开始形成尾流。

当一架飞机突破音障时,冲击波锥会辐射开来,然后从飞机向下和向后辐射到地面。冲击波本身呈“N”形状,气压突然上升,接着气压突然下降,然后又恢复正常。气压变化导致地面上的人听到两声巨响,这就形成了音爆。飞机离地面越近,产生的音爆就越大。

一个常见的误解是,飞机只有在突破音障时才会产生音爆。相反,音爆是飞机在超音速飞行的整个过程中产生的连续效应。所以,如果你从纽约乘超音速飞机去洛杉矶,当你从头顶飞过时,在飞行航线下的所有人都会听到巨大的轰鸣声。

由于音爆会影响到公众,干扰野生动物,打碎玻璃和破坏旧建筑物,商业超音速飞行几乎从一开始就注定了最终的失败。1964年,美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)在俄克拉荷马城上空进行了一系列测试,以观察音爆对人口密集地区的影响。在6个月的时间里,空军飞机在白天产生了1253个音爆。

尽管居民们一开始是愿意接受检测的,但在最初两个月后,投诉和有关音爆造成破坏的报告就急剧增加,最终导致该项目提前结束。对音爆的反对,尤其是来自环保人士的反对,从那以后就越来越多。同样,协和式飞机在1969年开始试飞,7年后开始客运飞行,这期间一直面临着来自全世界的抗议。

关于商业超音速飞机的热潮

而其他致力于恢复超音速商业飞行的公司则采取了不同的方法。总部位于波士顿的Spike Aerospace公司也在开发一种低音爆的飞机,其S-512超音速飞机是一种可容纳18人的商务喷气式飞机。

Spike Aerospace总裁兼首席执行官维克·卡乔里亚(Vik Kachoria)表示,他的公司之所以选择研发小型飞机有两个原因:商务客户比普通客户更愿意花钱乘坐超音速飞机,而且它对设计的挑战也更小。和LBFD一样,S-512部件的形状对于减轻音爆影响也起了很大作用。

图示:Spike Aerospace公司开发的S-512超音速公务机可容纳18名乘客,计划于2019年首飞。

卡乔里亚说:“(减轻音爆影响)真的非常非常困难,尤其是在大型航空飞机上。那么,对我们来说,解决方案就是制造一架更小的公务机。更小的外形,更短的长度和更轻的重量都是减少音爆的重要因素。

S-512预计将在2019年进行首飞,其音爆给地面带来的噪音应该不会超过75分贝,或者说比正常的通话声稍微大一点。相比之下,协和式飞机的音爆给地面带来的噪音大约是105分贝。

“(传统的)音爆可能有点令人不安,特别是如果你没有预料到它的情况下,”卡乔里亚说。“在航空展上你往往已经做好了准备,所以这一点很有趣。”

回到内华达州里诺市,Aerion Supersonic公司也选择了开发公务机,但这种飞机并没有标志性的低音爆外观设计。相反,Aerion Supersonic公司研发的AS2公务机将利用一种被称为“马赫截止速度”的现象,这将使它能够以1.2马赫的速度飞行,而不会产生音爆。

在以“马赫截止速度”(Aerion将其称为“消振巡航”)飞行期间,当冲击波进入巡航高度以下较温暖的大气层时,将会向上折射。该公司表示,这种方式意味着AS2的成功并不依赖于尚未得到验证的低音爆设计技术。

Aerion Supersonic公司执行董事长兼首席执行官布赖恩·巴伦支(Brian Barents)表示:“Aerion Supersonic公司飞机高效的关键在于其领先的机翼技术,可以有效减少阻力和燃料消耗。”

图示:Aerion Supersonic公司的AS2公务机将利用一种被称为“马赫截止速度”的现象,这将使它能够以1.2马赫的速度飞行,而不会产生音爆。

目前,Aerion Supersonic公司正与洛克希德公司合作设计AS2,计划将在2023年进行首飞。而科罗拉多州的一家初创公司Boom Technology表示,它将研发一架可搭载55人的超音速飞机,其在超音速飞行时要比协和式飞机安静30倍。

Boom多次拒绝接受采访或透露更多计划细节的请求。

繁荣之前

但即使是低音爆飞机在美国也面临着一个巨大的障碍:自1973年以来,美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)已经禁止在美国上空进行民用超音速飞行。让美国联邦航空局解除禁令需要两个步骤。首先该机构需要为音爆确定一个可接受的噪音水平,而每家公司都必须证明其飞机的噪音不会超过这个水平。

美国国家航空航天局的科恩说,他希望美国联邦航空局的规定能够更符合国际民用航空组织(ICAO)关于音爆的相关要求,而美国以外的大多数国家都遵循这一规定。事实上,国际民用航空组织并没有完全禁止在陆地上空进行超音速飞行,而是禁止传导到地面的噪声过大。

图示:虽然协和式飞机最终因成本过高且噪音太大而退役,但其仍是一家优雅漂亮的超音速飞机。

他表示:“我们希望用更高的认证标准取代禁令,就像是现在用于起飞和降落噪音的认证标准一样。从本质上讲,如果飞机比这安静,你可以证明它,就能获得认证通过。”

尽管美国联邦航空管理局尚未讨论其政策的任何变化,但在2018年的联邦航空管理局重新授权法案中,国会要求该机构着手恢复民用超音速飞机业务。

但即使这一过程需要10年时间,约西菲迪斯表示,如果美国航空业想保持竞争力,政府必须坚持到底。

他表示:“政府有责任主动推翻这一禁令,并向一个新的超音速飞行商业市场开放国内航空业。如果我们不这么做,那么其他国家这么做只是时间问题。”






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