「音爆」不解決 民航難以實現超音速飛行

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Image caption 自從協和超音速客機退役後,一直有各種關於重新開始超音速航空客運的計劃。

自從15年前協和式超音速客機退役後,超音速商業飛行的各種建議一直層出不窮。下面是一些接近付諸實施的計劃。

美國航空製造公司,超音速飛機製造商Boom Supersonic, Aerion Supersonic和Spike Aerospace都競相成為第一個大幅度縮短全球飛行時間的公司,努力盡製造出速度超過音速(1馬赫)的噴氣客機,也就是超過在海平面音速每小時1225公里。

所有的計劃的目標都是爭取在2025年前把超音速客機投入定期運行。

在技術上超音速飛行十分複雜。主要挑戰在於如何提供旅客能夠負擔得起的超音速飛行,而且同時還要降低污染,關鍵是消除協和式超音速客機造成的那種震耳欲聾的音爆。

像霹靂一樣巨大的音爆能震裂窗戶玻璃,毀壞建築。

Boom Supersonic的創立者,公司總裁紹爾(Blake Scholl)說,"現在空間的商業創意和創業正在復蘇",該公司正計劃製造一個三角翼的客機,這種客機能載55名乘客,速度可以達到2.2馬赫,也就是每小時速度達到2335公里。

他說,"協和式飛機十分超前,是巨大的技術成就,但是協和飛機燃料消耗卻低效的令人難以置信,因此運行成本十分昂貴。 "

解決音爆問題?

航空監管機構的態度對於超音速飛行能夠復興起著關鍵的作用。

今年早些時候,洛克希德馬丁公司從美國航天機構國家宇航局贏得了價值2.48億美元的合同,要製造一種低音爆的飛機作展示。這種名為X-59 QueSST的飛機使用了靜音超音速技術,飛行速度將達到1.42馬赫,高度達到16764米。美國宇航局說,這種飛機的噪音和關閉轎車門的聲音差不多。

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Image caption 飛機在空中高速飛行壓縮了前面的空氣產生了衝擊波。

消除音爆的一個關鍵是機身結構的設計。常規的超音速噴氣飛機,空氣衝擊波從機頭到達機尾翼的時候增強,形成兩次明顯的音爆。

如果把飛機經過特殊設計,讓衝擊波離開飛機的時候不匯合在一起。這就意味著衝擊波傳到地面的時候仍然是分開的,那樣就形成了比較柔軟的悶聲。

這款飛機應該在2021年底前完成製造,在2022年中期美國宇航局計劃讓這種飛機在美國不同城市間飛行,收集關於地面人群對超音速飛行如何反應的數據。

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Image caption 美國宇航局計劃製造一種低聲爆的噴氣式樣機。

2025以後,這些數據將提交給美國聯邦民航局(FAA)和國際民航組織(ICAO),讓他們制定關於陸地上空超音速飛行的規則。

目前的規則是,民航飛機只能在水面上空進行超音速飛行。

Spike Aerospace的總裁卡奇裏那(Vik Kachoria)說,"必須避免讓音爆干擾地面生活的人,這樣才行"。他們公司設計的S-512商務噴氣式飛機能夠載客12-18人,飛行速度能夠達到1.6馬赫。

Spike公司表示,他們的"超音速安靜飛行技術"意味著他們製造的飛機能夠在陸地上空作超音速飛行,但又不對地面的人構成過多干擾。

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Image caption Spike公司說,他們的S-512噴氣飛機能夠在陸地上空作超音速飛行,同時不產生強烈的音爆。

Spike公司沒有透露他們如何做到這點,但是他們的飛機機身選擇了機翼後略角度為55度的設計。

廉價超音速飛行?

如果解決了音爆問題,超音速飛行的成本有多貴?

協和式客機飛行的價格是普通客機頭等艙的4倍。但是上述3家公司都說他們努力使超音速旅行的票價不會超過現在的商務艙機票價格。

目前從上海到洛杉磯的客機飛行時間是12小時,這個時間將來會縮短到6小時之內。

紹爾說,"飛越大西洋的往返飛行機票價格不是2萬美元,更可能只有5千美元。"

他說"相比經濟艙價格,這仍然十分昂貴,但是如果你能付得起靠前機艙的價格,你就能承擔得起這種僅用一半時間到達目的地的(超音速)飛行。"

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Image caption Boom公司計劃建造的55座的超音速客機。

2017年的航空旅客人數達到了40億,其中12%(4.8億人)的旅客乘坐商務艙,因此這方面的市場潛力巨大。

Boom目前正在製造一種超音速單座飛機XB-1,這種進行飛行測試的飛機明年將開始飛行。

紹爾堅持說,超音速旅行並不需要許多新技術。

"可以利用現有的為其他種類飛機開發的先進技術,碳纖維構件,渦輪風扇發動機,軟件最優化的氣動設計。"

協和飛機使用了相對效率比較低的渦輪噴氣發動機,而其後設計中的超音速飛機都使用了渦輪風扇發動機,而這種發動機已經被廣泛用於商業航空中。

Boom希望其商業超音速飛機能夠在2020年代中期投入運營。到目前為止只有兩家航空公司簽了訂單,維珍航空公司已經訂購了10架;日本航空公司訂購了20架。

各種超音速飛機

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Image caption 波音公司甚至構想將來製造速度達5倍音速的噴氣客機。
  • Aerion Supersonic的AS2商務噴氣式飛機——載客12人,最高巡航速度1.4馬赫。動力: 3台改裝的通用電氣航空公司的渦扇發動機。公司承諾在1.2馬赫巡航時不會產生音爆。首次商業飛行計劃在2026年進行。
  • Boom超音速客機——載客55人,航速2.2馬赫。動力: 三台無補燃, 中涵道比,有可變幾何截面進口和噴口的渦扇發動機,音爆比協和式安靜30倍。首次商業飛行計劃在2025年進行。
  • Spike Aerospace S-512超音速噴氣飛機——載客12-18人,速度1.6馬赫。動力:兩台渦扇發動機。首次商業飛行計劃在2025年進行。
  • Aerospatiale/BAC協和式飛機——載客92-128人,航速2.04馬赫。運行期:1976-2003年。
  • 圖波列夫Tu-144飛機——載客140人,航速1.8馬赫。運行期:1977-78年。

誰能捷足先登?

許多人認為Aerion Supersonic公司製造的超音速飛機最早被投入運營的可能性最大。

Aerion已經同洛克希德馬丁公司合作,共同研發計劃中的AS2超音速商務客機。洛克希德當然有豐富的高速飛機製造的經驗,他們製造了諸如F-35, F-22, 和速度達3馬赫的SR-71偵察機。

Aerion公司表示,他們已經為他們的超音速飛機選擇了一款已有的發動機,他們目前正在同通用電氣航空(GE Aviation)合作,今年晚些時候將公布這款飛機發動機。

圖片版權 AERION SUPERSONIC
Image caption Aerion公司計劃利用現有技術製造這種AS2商用噴氣飛機。

"這是一款積累了10億飛行小時的發動機",Aerion的總裁巴倫支(Brian Barents)說,"這意味著它能在世界任何地方得到維修保養。"

傳統的超音速飛行的設計方案都是三角翼設計,但是Aerion說這種設計會引起三角翼末端的"翼展方向氣流",引起氣流波動,增加阻力。

該公司說,他們已經選擇了薄機翼和水平穩定翼設計,這應該能把阻力減少20%。美國航天局已經在兩倍音速的狀況中測試了Aerion公司設計的翼型,證明了他們的設計可行。

巴倫支說,"它的速度很快,但是在許多方面仍然是一種常規飛機,諸如在製造技術,材料,系統方面都是如此,這樣就消除了飛機的風險,不僅對研發公司如此,對客戶也是如此。"

在公眾關注氣候變化,航空對環境影響的時代, Spike公司的卡奇裏那認為,遵守目前和未來的管理規定對於超音速旅行的成敗至關重要。他說,"如果你不和那些相關團體溝通,會使整個行業陷入困境。"

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