未来全球旅行的新希望——高超音速商用飞机

首发自：临空视野

1 月 13 日美国国家航空航天局发布公告，在洛克希德-马丁公司位于美国加州棕榈谷的臭鼬工厂内，正式揭幕展示 X-59静音超音速飞机。该团队称将利用收集到的数据彻底改变航空旅行，为新一代可超过音速飞行的商用飞机铺平道路。可以看出，此类消息预示着高超音速商用飞机已经越来越近了。

跑赢晨昏线的客机

高超声速飞机通常指采用吸气式动力、最大飞行速度5马赫以上、可在临近空间长时间进行高超声速巡航飞行的飞机。由于此类飞行器具有高速、水平起降、可重复使用等特征，因此有着巨大的前景。

高超声速飞机将会大大节省远距离通勤所需要的时间。在理论上高超声速飞机从机场起飞，两小时内能降落在世界上任何其他一个机场。其实，虽然目前高超声速客机还在研制中，但在此前民众就已经体会过高速空运带来的便捷。如在历史上，英法联合研制的协和式超音速客机和苏联图－144超音速客机就都曾投入过运营。其中协和式飞机于1976年初开始商业飞行，该飞机的机翼采用三角翼，机翼前缘为S形，无水平尾翼，专门研制的四台大推力涡轮喷气发动机使其可以达到2180千米/小时的高速。协和式一共生产了20架，主要负责横跨大西洋的航线。由于协和式飞机的巡航速度比晨昏线的移动速度更快，令它能够追上和超越地球的自转，在西行航线上，以当地时间计算，抵达时间往往比起飞时间早，这就是协和式乘客津津乐道的“降落在起飞之前”奇观。而苏联的图-144超音速客机也在1975年12月26日完成了世界上第一架次超音速客机的商业飞行。

不过，当时的超音速客机虽然快，也存在着一些重大缺陷，如发动机的耗油率高、环保不达标、噪声过大等，这也为其后来的黯然退场埋下了伏笔。像苏联图-144在几次灾难性事故后，仅服役数年就停止了飞行。而在2000年7月25日，法国航空公司AF4590航班的一架协和式飞机在巴黎戴高乐机场起飞后两分钟起火坠毁，造成机上109人以及地面4人丧生。经此一役，协和号一蹶不振，不久就退出了历史舞台。

虽然两位“前辈”先后失败，但是在全球化趋势愈发明显的今天，高速度对于人们出行和商务往来依然有着巨大吸引力，因此相关的企业早已开始了新型超音速客机的研发。在2016年，美国Boom公司就公布了其设计的超声速客机概念图——Overture，该飞机采用复合三角翼布局，机身由碳纤维材料制造，全长52 米，翼展18米，装备3台推力为67～89千牛的中涵道比涡轮风扇发动机，巡航速度2.2马赫，最大航程8300千米，最多可搭载55名乘客。

除了Boom公司，波音也在一直不遗余力地推进超声速飞行器的研制。在2022年1月举行的美国航空航天学会的年度科技论坛和博览会上，波音公司推出了一种可重复使用的高超音速飞机的新模型，并在推特上发布了新模型的几张照片。波音透露，这款高超音速飞机可能用来执行军事和商业任务，包括作为太空发射母舰发挥作用，“是一种精密的、更现实的5马赫可重复使用的吸气式设计”。

另外在2022年5月，雷神技术公司投资了Hermeus公司，该公司目前在研制第一架被称为“Quarterhorse”的能够以五倍音速飞行的可重复使用飞机。有消息指出，Quarterhorse会使用基于GEJ85商用涡轮喷气发动机研发的碳氢燃料涡轮基冲压组合发动机，并将成为第一架拥有TBCC推进系统的同类飞机。该飞机将采用钛合金结构来承受高超音速，还会采用高度流线型三角翼设计，航程为7400公里，未来会被用于运输时间紧迫的货物和军事侦察，以及高超音速商业通勤。

跨过音爆门槛的X-59

超音速技术要想用之于民，有些门槛是必须要跨过的，其中较为重要就是音爆问题。音爆是物体在空气中运动的速度突破音速时产生冲击波所引起的巨大响声。较强的地面音爆会影响生态环境和人类正常的生活工作，严重时甚至会破坏建筑物。据测试，上文中的协和式客机在16000米高空以两马赫飞行时产生的音爆对地面产生的压强高达100帕，相当于给一块一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力。因此新一代超音速客机需要解决的首要问题就是音爆。目前，音爆抑制技术主要有主动和被动两类。主动技术通过能量注入来抑制音爆，如通过激光脉冲的方式向超声速流场中注入能量，改变原本的激波结构，避免飞机各部件产生的激波相互叠加和干扰，以降低音爆强度。被动技术则以静音锥为代表，主要通过在机头安装若干可伸缩的圆锥体和圆柱体，通过使机头原本较强的弓形激波变为若干道弱激波，并避免声爆传播过程中出现激波叠加和干扰的方式来抑制音爆。

而此次文中开头提及的X-59静音超音速飞机，就是美国国家航空航天局与洛克希德-马丁公司为有效解决音爆带问题而共同开启的项目，项目的总体目标是通过X-59验证机，来测试和验证降低声爆技术，确保飞机在巡航飞行期间的可感噪声在可接受范围之内，并建立一个地面社区对超声速飞行的反应数据库，为美国联邦航空局和国际民航组织在2025年制定超声速飞行噪声标准提供参考和依据。据悉NASA为X-59项目提供了高达2.47亿美元的资金。

资料显示，这架技术验证机的体积并不大，长28.65米，翼展9米，最大起飞重量14.7吨，装备一台F414-GE-400涡扇发动机。该机长而细的机体设计是其突破音障时不会产生巨大噪音的关键，X-59采用与协和式相似的长尖机头和后掠机翼。NASA阿姆斯特朗飞行研究中心航空航天工程师艾德·海林表示：“X-59在超音速飞行时，机体多个部位仍会产生多个冲击波，但精心设计的机体将保证这些冲击波不会叠加在一起，防止出现强大的音爆”。按计划，X-59可以在55000英尺的高度上以1.5马赫的速度飞行，飞行时的噪音则将降低到60-65分贝，地面上的人们听到的只是一声像汽车关门那种“砰”的声音。臭鼬工厂飞行演示项目经理彼得·约瑟菲迪斯表示，“该项目的开始，标志着安静的超音速商业旅行将迎来巨大飞跃”。另外由于X-59流线型极强的设计，飞行员需要使用增强型视觉系统来获取外部视野，这个系统由4K摄像机提供。

有分析认为，作为未来航空未技术的试验台，X-59如果成功，它可能会影响监管变化，将允许商业超音速飞机在陆地上空飞行，从而开辟新市场，这可以通过大幅减少旅行时间来使世界各地的旅行者受益。此外，X-59的技术可能会渗透到其他航空领域，影响未来的飞机设计，并可能导致新一代更快、更安静的飞机。