新一代超音速客机再获进展 NASA即将测试原型机

2016-07-08 11:15:03  来源:快递查询 责任编辑:王志强
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近半个世纪以来,绝大多数商用客机在航速上都有一个明确的上限,即时速 1062 公里。超过这一速度的话,一架普通大小的飞机在 9,144 米的高空飞行时,便可以突破音障并产生宽达 48 公里的音爆区。

而音爆的能量会对地面造成极大的冲击,甚至可以震碎玻璃和墙面,以至于 1973 年美国联邦航空管理局(FAA)不得不明令禁止民航客机在美国本土以超音速飞行。

历史上曾有两种超音速飞机投入商业使用,现在都已经退役了。协和式飞机就是历史上投入商业使用的两种飞机之一,是由法国宇航和英国飞机公司联合研制的中程超音速客机。

2000 年,协和式飞机发生了那场著名的空难,机上 100 人全部遇难,协和式飞机从此一蹶不振,再加上这种客机产生的巨大噪音屡屡遭到居民投诉,3 年后这种飞机黯然退场。

但是,超音速飞机近年又卷土重来,成为了航空航天业的热点。它之所以如此广泛被人们关注,原因之一在于它极快的飞行速度。

超音速飞机可以只用半小时的时间便从伦敦到达纽约,无论是概念超音速飞行汽车还是概念超音速飞机,都引起了人们极大的兴趣。

说起研发超音速飞机,NASA,洛克希德马丁公司绝对能算领头羊。NASA 正着手设计制造新一代超音速客机的原型机,该机型产生的噪音仅仅相当于坐在车里听到的汽车发动机的嗡嗡声。

NASA正在研发的超音速飞机

NASA 研究人员透露,一架较小尺寸的样机已经成功进行了风洞测试,按照当前的设计,纽约到洛杉矶目前 6 小时的飞行时间将会缩短一半。

NASA 计划在未来五年内投入 3.9 亿美元来制造原型机并在人口稠密地区进行测试。第一年的经费已列入美国总统特朗普 2018 年的预算草案中。

NASA 商用超音速技术研究团队的项目经理 Peter Coen 表示,未来十年,航空运输和长途飞行的增长将推动市场对超音速飞行广泛化的需求,这也为各飞机制造商提供更有竞争力的产品带来了可能。

NASA 计划与美国飞机制造商分享之前的测试成果,这意味着像洛克希德马丁、通用动力、波音这样的老牌产商和 Boom 科技、Aerion 航空这样的新兴公司在超音速技术上将会抢得先机。

过去十年来,电脑运算能力的显著提升使得流体动力学模型成为了可能,而洛-马就是利用该研究协助 NASA 设计了新一代的超音速客机。

通过二者的合作,洛-马和 NASA 在大量测试结果的基础上描绘出了飞机外形的细小差异与超音速冲击波之间的关系。

洛-马的设计主管 Peter Iosifidis 表示,他们与 NASA 最终确定的设计方案可以阻止声波融入到音爆的 N 型波中。

相反,这些声波将会在飞机尾部以多点、大范围的方式扩散,从而使超音速飞行产生的噪音只相当于普通的嗡嗡声。

Coen 表示,NASA 的目标是将声级控制在 60 到 65dBa,这仅相当于一辆豪华轿车行驶在高速公路上发出的声音或者一家热闹餐厅中的嘈杂声。

Iosifidis 表示,洛-马的研究表明,当前的设计方案所得出的数据同样适用于普通大小的商用飞机。他说:“现在已经达到了这个水平,只要得到公众的认可,超音速飞行就能被接受”。

而目前他们团队计划制造的原型机长达 24.7 米,可供一名飞行员的操作,飞行高度可达 16,764 米,动力方面则采用了通用电气公司为 F/A-18 战斗机设计的发动机。

相比之下,作为上一代超音速客机的代表机型,协和式客机产生的噪音高达 90dBa。这也是上世纪七十年代美国国会对该客机发出禁令的原因之一。

以当前的标准来看,协和式客机产生的噪音与如今的监管要求相去甚远。由于禁令带来的影响再加上其他因素,协和式客机最终沦为法航和英国航空的烧钱工具,并于 2003 年正式退出市场。

Coen 认为,在超音速飞行的三大难题中,音爆是其中最难解决的,另外两大难题则是过高的碳排放和过大的发动机噪音。

通用电气目前正在研究如何减小发动机的噪音,包括将发动机安放在机翼上。而 NASA 已资助麻省理工学院一项旨在应对环境影响的研究。

Iosifidis 说到:“飞机制造商们不会主动去研发一款不能飞的飞机,而这正是是 NASA 想要改变的地方。我们当前的合作则会让这一改变发生”。

但是先别急着来一趟说走就走的超音速飞行,因为超音速飞行可能还存在第四个难题——政府监管。

根据 1973 年的禁令,除非 FAA 或美国国会明确撤销,否则这份在当前的技术水平下显得过时的禁令依然有效,超音速飞行在美国本土还是被禁止的。

此外,虽然像通用动力这样的老牌航空企业以及 BOOM 科技这样的新兴公司都在不断研究和攻克超音速客机当前存在的各项技术问题,但是现在所有的努力还只是在试验阶段,后面的路依然很长。

不过 Coen 透露,如果一切都按计划进行,从 2022 年开始 NASA 将在六个社区的上空进行原型机测试。这是呼吁立法机关和监管机构解除禁令的第一步。

这一次不同于以往,因为最棘手的技术挑战已经解决了。“为了实现我们的目标,我们争取到了 NASA、白宫以及国会的大力支持。对于超音速客机的前景,我还是非常期待的”。

自从协和式超音速客机在 2003 年退役以后,商务班机就未再实现超音速飞行。但是现在有一些飞机公司希望能够引领一个超音速航空旅行的新时代。

Boom Supersonic正在研发的超音速飞机

Boom Supersonic 公司计划打造时速达到约 2,335 公里每小时的飞机,而且将从 2023 年开始把纽约到伦敦的旅行时间缩短到 3 小时 15 分钟(正常航班大约需要 8 小时)。

Boom 的创始人 Blake Scholl 透露,55 座飞机可能会在 2025 年投入商业运营。他宣称这种飞机“比协和式飞机更好”,预计将达到 2,715 公里/小时的速度。

而该公司最终的目标,是让每一个飞的人都能享受得起这种服务。够便宜才是硬道理。

Scholl 说:“喷气式飞机时代到来 60 年后,我们仍然在以 60 年代的速度飞行。协和式飞机的设计师们没能给我们提供廉价的超音速旅行的技术,但现在我们做到了”。

Scholl 透露,一款名为 xb-1 的小型飞机将会在 2018 年底进行测试,这架飞机的名字叫“婴儿潮”(Baby Boom),时速 2,330 公里/小时。

3.5 小时内将会从伦敦飞到纽约。飞机上将搭载两名机组人员。该公司在迪拜航空展上展示了这架飞机的模型。

你可能会认为坐在这种高速飞机是一种令人生畏的经历。但 Scholl 保证,乘客们甚至不会注意到这一差异。他说,这架飞机将和今天在机场其他的飞机一样安静。他还说,这架飞机也将比协和式飞机“安静得多”。

根据模拟,Boom 的设计比协和式飞机更安静,而且效率高出 30%。这种喷气式飞机是由顶级航空专家创造的,他们有在 NASA、SpaceX 和波音公司的工作经验。

在飞机内部的设计上,会分成两排座位,每个人都有一个窗口和一个通道。为了缩短飞行时间,这种飞机将在 18,288 米的高空巡航,乘客将能够看到地球的弧度,速度比其他客机都快 2.6 倍

他还表示,该公司已经从 5 家航空公司收到了 76 架客机的订单,但是未透露这五家公司的名字。

Boom 还得到了维珍创始人理查德·布兰森的支持。这位传奇大亨证实,维珍航空可能会购买 10 架超音速客机。

Scholl 说,大约有 500 条航线适合飞机的市场,包括从旧金山到东京的 5 个小时飞行,以及从洛杉矶到悉尼的 6 小时飞行。

高超音速飞机

也有一些公司并不满足于超音速飞行,它们设计了所谓的高超音速飞机,能够达到 5 倍音速,大约相当于约 6,115 公里每小时。

这些超快的飞机最初很可能将被军方用于执行打击或者侦查任务。但是专家称,高超音速技术能够最终应用于商业飞行。那样的话,地球上的任何地方都能够在三小时内到达。

波音公司高超音速技术研究领域的首席科学家和高级技术人员 Kevin Bowcutt 博士称:“这项技术当然属于可能实现的范畴,我认为我们已经能够真正利用这项技术”。

但是打造一款能够以高超音速飞行的飞机并不容易。一些飞机已经实现了速度的突破,其中包括波音公司实验性的 X-51A WaveRider。但是目前所有的高超音速飞机都是用火箭引擎或者用过的火箭助推器提供动力的。

火箭虽然强大但是很沉重,因为它们需要携带氧气供燃料燃烧。Bowcutt 称:“火箭引擎用于航空和导弹领域是非常棒的,但是用于运送乘客有点不太理想”。

这也是为何波音公司和洛克希德马丁公司致力于研发喷气式高超音速飞机的原因。目前关于这些高超音速飞机的信息还很少,洛克希德马丁公司也拒绝透漏飞机的任何细节。

波音公司在奥兰多的一场会议上公布了一项最新的设计。这种外形圆滑的飞机将由涡轮发动机提供动力,与传统的商业飞机飞行相似。

它的起飞和降落速度很慢,但是在它的大部分飞行过程中,它将转换使用另外一种双模式冲压发动机,这种发动机只有速度超过 3 马赫(3 倍音速)时才会运行。

常规的涡轮发动机使用旋转的扇叶吸入空气并且进行压缩,使氧气与燃料接触。但是如果在高超音速时使用,这种引擎会被熔化。

冲压式喷气发动机借助高速飞行产生的冲击波来压缩进入的空气。Bowcutt 称,这样的高速飞行会产生惊人的摩擦力,因此一架高超音速飞机必须由镍合金这样的耐热材料打造。

借助这项技术打造的高超音速飞机有可能在 10 到 20 年内问世。那么乘坐这样一架飞机会有什么样的感受呢?

Bowcutt 称:“在飞机加速起飞时你会像乘坐普通客机一样体验到推背感。唯一的区别在于,高超音速飞机的起飞感觉会持续一段时间,直到达到一定的速度和高度。之后的感觉就和任何其它飞机没有区别了”。

高超音速飞机将在约 27.4 千米到 30.4 千米。这一飞行高度超过现在的客机(通常在约 10.6 千米),这一高度足以让你看到下方地球的曲面和头顶的黑暗太空。

为了强化机身,高超音速飞机或许会用虚拟窗户取代真正的窗户。安装在飞机外部的摄像头将把外面的景象传递到虚拟屏幕上,让你获得真实体验。

超音速飞行和高超音速飞行在实现商业航空应用之前还面临着许多阻碍。其中一个问题就是需要解决这一高度上排放带来的环境影响。

另外一个就是需要为这种超快形式的旅行找到足够的市场。为了支撑它的高超音速速度,协和式超音速喷射客机为每位乘客携带的燃料是其它客机的 4 倍,这也会导致票价提升。

美国航空租赁公司董事兼 CEO John Plueger 在谈及高超音速乘客旅行时称:“这项技术至少还需要 15 到 20 年时间,才能够具有成本竞争优势,让其它航空公司重视它的存在”。

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