“音爆”不解决 民航难以实现超音速飞行

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Image caption 自从协和超音速客机退役后,一直有各种关于重新开始超音速航空客运的计划。

自从15年前协和式超音速客机退役后,超音速商业飞行的各种建议一直层出不穷。下面是一些接近付诸实施的计划。

美国航空制造公司,超音速飞机制造商Boom Supersonic, Aerion Supersonic和Spike Aerospace都竞相成为第一个大幅度缩短全球飞行时间的公司,努力尽制造出速度超过音速(1马赫)的喷气客机,也就是超过在海平面音速每小时1225公里。

所有的计划的目标都是争取在2025年前把超音速客机投入定期运行。

在技术上超音速飞行十分复杂。主要挑战在于如何提供旅客能够负担得起的超音速飞行,而且同时还要降低污染,关键是消除协和式超音速客机造成的那种震耳欲聋的音爆。

像霹雳一样巨大的音爆能震裂窗户玻璃,毁坏建筑。

Boom Supersonic的创立者,公司总裁绍尔(Blake Scholl)说,"现在空间的商业创意和创业正在复苏",该公司正计划制造一个三角翼的客机,这种客机能载55名乘客,速度可以达到2.2马赫,也就是每小时速度达到2335公里。

他说,"协和式飞机十分超前,是巨大的技术成就,但是协和飞机燃料消耗却低效的令人难以置信,因此运行成本十分昂贵。 "

解决音爆问题?

航空监管机构的态度对于超音速飞行能够复兴起着关键的作用。

今年早些时候,洛克希德马丁公司从美国航天机构国家宇航局赢得了价值2.48亿美元的合同,要制造一种低音爆的飞机作展示。这种名为X-59 QueSST的飞机使用了静音超音速技术,飞行速度将达到1.42马赫,高度达到16764米。美国宇航局说,这种飞机的噪音和关闭轿车门的声音差不多。

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Image caption 飞机在空中高速飞行压缩了前面的空气产生了冲击波。

消除音爆的一个关键是机身结构的设计。常规的超音速喷气飞机,空气冲击波从机头到达机尾翼的时候增强,形成两次明显的音爆。

如果把飞机经过特殊设计,让冲击波离开飞机的时候不汇合在一起。这就意味着冲击波传到地面的时候仍然是分开的,那样就形成了比较柔软的闷声。

这款飞机应该在2021年底前完成制造,在2022年中期美国宇航局计划让这种飞机在美国不同城市间飞行,收集关于地面人群对超音速飞行如何反应的数据。

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Image caption 美国宇航局计划制造一种低声爆的喷气式样机。

2025以后,这些数据将提交给美国联邦民航局(FAA)和国际民航组织(ICAO),让他们制定关于陆地上空超音速飞行的规则。

目前的规则是,民航飞机只能在水面上空进行超音速飞行。

Spike Aerospace的总裁卡奇里那(Vik Kachoria)说,"必须避免让音爆干扰地面生活的人,这样才行"。他们公司设计的S-512商务喷气式飞机能够载客12-18人,飞行速度能够达到1.6马赫。

Spike公司表示,他们的"超音速安静飞行技术"意味着他们制造的飞机能够在陆地上空作超音速飞行,但又不对地面的人构成过多干扰。

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Image caption Spike公司说,他们的S-512喷气飞机能够在陆地上空作超音速飞行,同时不产生强烈的音爆。

Spike公司没有透露他们如何做到这点,但是他们的飞机机身选择了机翼后略角度为55度的设计。

廉价超音速飞行?

如果解决了音爆问题,超音速飞行的成本有多贵?

协和式客机飞行的价格是普通客机头等舱的4倍。但是上述3家公司都说他们努力使超音速旅行的票价不会超过现在的商务舱机票价格。

目前从上海到洛杉矶的客机飞行时间是12小时,这个时间将来会缩短到6小时之内。

绍尔说,"飞越大西洋的往返飞行机票价格不是2万美元,更可能只有5千美元。"

他说"相比经济舱价格,这仍然十分昂贵,但是如果你能付得起靠前机舱的价格,你就能承担得起这种仅用一半时间到达目的地的(超音速)飞行。"

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Image caption Boom公司计划建造的55座的超音速客机。

2017年的航空旅客人数达到了40亿,其中12%(4.8亿人)的旅客乘坐商务舱,因此这方面的市场潜力巨大。

Boom目前正在制造一种超音速单座飞机XB-1,这种进行飞行测试的飞机明年将开始飞行。

绍尔坚持说,超音速旅行并不需要许多新技术。

"可以利用现有的为其他种类飞机开发的先进技术,碳纤维构件,涡轮风扇发动机,软件最优化的气动设计。"

协和飞机使用了相对效率比较低的涡轮喷气发动机,而其后设计中的超音速飞机都使用了涡轮风扇发动机,而这种发动机已经被广泛用于商业航空中。

Boom希望其商业超音速飞机能够在2020年代中期投入运营。到目前为止只有两家航空公司签了订单,维珍航空公司已经订购了10架;日本航空公司订购了20架。

各种超音速飞机

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Image caption 波音公司甚至构想将来制造速度达5倍音速的喷气客机。
  • Aerion Supersonic的AS2商务喷气式飞机——载客12人,最高巡航速度1.4马赫。动力: 3台改装的通用电气航空公司的涡扇发动机。公司承诺在1.2马赫巡航时不会产生音爆。首次商业飞行计划在2026年进行。
  • Boom超音速客机——载客55人,航速2.2马赫。动力: 三台无补燃, 中涵道比,有可变几何截面进口和喷口的涡扇发动机,音爆比协和式安静30倍。首次商业飞行计划在2025年进行。
  • Spike Aerospace S-512超音速喷气飞机——载客12-18人,速度1.6马赫。动力:两台涡扇发动机。首次商业飞行计划在2025年进行。
  • Aerospatiale/BAC协和式飞机——载客92-128人,航速2.04马赫。运行期:1976-2003年。
  • 图波列夫Tu-144飞机——载客140人,航速1.8马赫。运行期:1977-78年。

谁能捷足先登?

许多人认为Aerion Supersonic公司制造的超音速飞机最早被投入运营的可能性最大。

Aerion已经同洛克希德马丁公司合作,共同研发计划中的AS2超音速商务客机。洛克希德当然有丰富的高速飞机制造的经验,他们制造了诸如F-35, F-22, 和速度达3马赫的SR-71侦察机。

Aerion公司表示,他们已经为他们的超音速飞机选择了一款已有的发动机,他们目前正在同通用电气航空(GE Aviation)合作,今年晚些时候将公布这款飞机发动机。

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Image caption Aerion公司计划利用现有技术制造这种AS2商用喷气飞机。

"这是一款积累了10亿飞行小时的发动机",Aerion的总裁巴伦支(Brian Barents)说,"这意味着它能在世界任何地方得到维修保养。"

传统的超音速飞行的设计方案都是三角翼设计,但是Aerion说这种设计会引起三角翼末端的"翼展方向气流",引起气流波动,增加阻力。

该公司说,他们已经选择了薄机翼和水平稳定翼设计,这应该能把阻力减少20%。美国航天局已经在两倍音速的状况中测试了Aerion公司设计的翼型,证明了他们的设计可行。

巴伦支说,"它的速度很快,但是在许多方面仍然是一种常规飞机,诸如在制造技术,材料,系统方面都是如此,这样就消除了飞机的风险,不仅对研发公司如此,对客户也是如此。"

在公众关注气候变化,航空对环境影响的时代, Spike公司的卡奇里那认为,遵守目前和未来的管理规定对于超音速旅行的成败至关重要。他说,"如果你不和那些相关团体沟通,会使整个行业陷入困境。"

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