低声爆飞机首飞在即,超音速旅行指日可待?
来源:返朴
发布时间:2024-04-11
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X-59是一架独一无二的实验飞机,它是一款设计飞行速度在1.6-1.8 马赫的超音速飞机,关键它在突破声障时非常“安静”,其传到地面的声爆音量大致相当于6米外关车门的动静。X-59将于今年首飞,一旦经过相关测试,美国国家航空航天局计划在2026年让它飞越选定的城市,以获取更多实验数据。这些数据或许将打破商业超音速飞行的限制——在过去的50多年里,由于声爆对航线周边地面社区的巨大干扰,美国禁止民用飞机在其陆地上空飞行速度超过1马赫。

撰文 | 崔凯(中国空气动力学会 科学传播和普及工作委员会主任)

2024年1月12日,美国国家航空航天局(NASA)正式推出了X-59低声爆研究飞机。这架飞机是在NASA“安静超音速技术(QueSST, Quiet Supersonic Technology)”项目的支持下,由洛克希德·马丁公司研发和制造。

图1 X-59飞机实物展示。丨来源:NASA

对于这架飞机,NASA发布的新闻稿称:“X-59是一种独一无二的实验飞机,它不但可以展示其具备超音速飞行的能力,还将表明其仅会产生轻柔的声音,而不是响亮的声爆”。该项目的负责人凯瑟琳·巴姆(Catherine Bahm)则表示:“这架飞机的推出是Quesst任务中实现消除声爆总体目标的一个巨大里程碑。”NASA总部负责航空研究的副局长鲍勃·皮尔斯(Bob Pearce)更是宣称:“对于从这项独一无二的任务中所获得的数据和技术,NASA将与监管机构和行业共同分享。我们也将展示其具备在陆地上方进行‘安静’超音速飞行的能力,并寻求为美国公司打开新的商业市场,使世界各地的旅行者受益。”

面对如此铺天盖地的宣传,我们不禁会提出一系列问题:为什么X-59飞机会受到如此关注?这架飞机能够实现什么样的功能?它的名字为什么以X开头?这是否意味着阔别商业航空二十余年的超音速飞机即将再次“返航”?本文将对上述几个问题一一解答。

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为什么X-59飞机会受到如此关注?

X-59飞机重新唤起了人们对超音速商业飞行的记忆和向往。

自1903年莱特兄弟发明第一架飞机以来,过去的一百多年中,对于飞行速度的追求几乎成为了永恒的主题。度量飞机速度一般使用马赫,也就是声速的倍数。目前商业航运飞机的速度都低于声速(一般在0.8至0.9马赫之间),如果一架飞机的飞行速度比声速还要快,我们就称其为超音速飞机。

之所以采用声速作为飞行速度的度量单位,是由于在飞行过程中,飞机会不断对周围的气流产生扰动,这些扰动又会以声速在空气中向更远的地方传播,故而飞行速度与声速之间就形成一种紧密的联系。因此,用声速来度量飞机的速度就成为一种合理且最佳的选择。当飞机的飞行速度接近或者超过声速后,其周围的空气流动会产生突变,并产生一种名为激波的物理现象。

图2 飞机周围的一条条“斜线”就是激波。丨来源:NASA

激波的出现会导致飞机的阻力剧增,阻碍其飞得更快,因此很多人曾一度以为飞机的速度永远不会超过声速,甚至给这种现象起了一个名字叫做“声障”。

不过,这一错误认识很快就被打破。1947年10月14日,美国空军试飞员查克·耶格驾驶X-1火箭飞机飞出了1.06马赫的速度,实现了有人驾驶飞机的首次突破声障。

在这之后,伴随着喷气式发动机的发展,超音速飞行基本上成为了战斗机的标配性能。

相比之下,民航飞机的速度提升则缓慢得多。迄今为止,历史上仅出现过两种超音速民航飞机,一种是英法联合研制的协和式飞机,另一种是前苏联研制的图-144飞机。后者据传在研制中曾“秘密参考”了很多协和式飞机的技术,所以也被戏称为“协和斯基”。图-144在某种意义上属于政治产物,存在问题很多,因此飞行了几十次以后就草草收场。协和式飞机的寿命则要长很多,从1976年开始投入商业服务,至2003年结束最后一次飞行,运营时间长达27年。

图3 协和式飞机(左)和图-144飞机(右)丨来源:资料

协和式飞机的飞行速度可以超过2马赫,比地球自转速度还要快,从纽约到巴黎仅需要三个多小时。由于时差的存在,因此在某些航班中,其落地时的当地时间比出发时的当地时间还要早,给乘客的感觉是“还没出发就已经到达了”。正是这种独特的高速飞行体验,使得协和式飞机颇受当时高端人士的追捧。

然而,尽管体验很独特,但协和式飞机在实际运营中却存在一个致命的问题,就是亏损。当时英国和法国的航空公司每年在协和式飞机的运营上,亏损可达到4000-5000万美元,如此巨大的负担迫使协和式飞机最终黯然退出历史舞台。导致亏损的原因中,最重要一个就是声爆问题没有解决。而这也是制约超音速商业飞行发展的主要瓶颈。

X-59的出现将有可能改变这一局面,推动超音速民机以更快的步伐重回历史舞台。

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X-59能实现什么样的功能?

X-59是采用低声爆设计的超音速试验飞机。

声爆(也称音爆)是超音速飞行中的特有现象。从前面的图2可以看到,超音速飞行的时候,飞机的许多部位与空气作用都会产生激波,这些激波在空气中不但向外传播,而且会不断地相互作用和合并,最终汇聚为两道更强的激波,分别称为头激波和尾激波。由于强激波两侧的压力差别非常大,当这两道强激波传到地面的时候,就会对地面的各种设施和生物带来影响。如果传到人的耳朵里,则体现为两声巨大的爆炸声。

最早关注这一现象的是一个名叫杰拉尔德·B·怀特森(Gerald B. Whitham)的英国研究生,他不仅分析并解释了这一现象,甚至通过理论分析提出了计算预示方法。1956年,美国空军在爱德华兹空军基地进行了声爆飞行试验,这也是已知最早的声爆飞行试验。虽然当时所用的测量设备比较简单,但试验结果和理论分析基本吻合,之后的飞行试验和地面试验也都进一步验证了其理论。

20世纪50年代,随着超音速战斗机的库存量和飞行测试需求不断增加,大量的飞机在美国各基地周围进行试飞,声爆开始引起公众的关注和反感。据资料记载,在1956年至1968年间,美国空军共收到了约38831项关于声爆的索赔,其中全部或部分批准的为14006项。索赔理由主要为声爆导致玻璃破碎、泥灰墙损坏,以及物体坠落等。这些索赔案例中也包含一些奇怪的理由,比如居民投诉声爆导致其宠物死亡或牲畜发疯等。

声爆问题迫使美国联邦航空管理局(FAA)在1973年实施了一项禁令,即禁止民用飞机在美国陆地上空飞行速度超过1马赫。依据这项规定,即将投入运营的协和式飞机的航线受到极大限制,其所带来的打击几乎是致命的,因为航线选择的减少意味着客流量的大幅缩减和运营成本的大幅提高。

正因为这一问题的重要性,美国政府自上世纪60年代开始就针对其开展了大量研究,并一直持续至今。相关研究涉及多个方面,包括:(1)进行飞行试验,以更好地量化研究相关流体动力学和大气物理现象;(2)进行社区调查,从受干扰的样本人群中收集民意数据;(3)建立和使用声学模拟器,对人和结构的响应进行评估;(4)对家畜和野生动物可能产生的影响进行实地研究;(5)开展地面实验,并结合试飞数据综合分析,完善理论结构并建立数学模型。

这些研究的核心是低声爆的飞机设计技术,也就是采用相对合理的外形改变激波形状和强度以降低声爆。这一研究历程长达几十年之久,最终得出的主要结论是将飞机头部的形状进行合理的优化(如将下颚部分设计为类似于鹈鹕鸟嘴部的形状),以及将头部加长。这两种机头设计方式都经过了大量的计算仿真和风洞试验。在本世纪初,通过改装F-5E战斗机和F-15B战斗机,这两项技术分别开展了飞行试验,验证了其抑制声爆的有效性。

图4 头部经过改装的F-5E飞机(左)和头部加装“安静长钉”的F-15B飞机(右)丨来源:资料

X59全长29米,机翼展开9米。从NASA公布的X-59真机图片看,应该综合使用了上述两项技术,也就是说,既采用了细长的头部设计,也对其头部的形状,特别是下颚部分进行了优化设计。除了这一明显特征以外,X-59还采用了较小的机翼面积和较大的向后倾斜角度(后掠角),以及将发动机置于飞机的背部等设计,这些都将有益于改善激波形状和强度,从而有效抑制声爆。据称,相比于传统的超音速飞机,X-59所产生的声爆将会从“轰隆的雷声”降低为“轻柔的关车门声”。

为了消除声爆和减小空气阻力,超音速飞机的机头需非常尖长,这会严重干扰飞行员的视野。为解决这一问题,X-59座舱前方的窗户用一块高清全景显示器取代,飞行中实时显示来自前置摄像头的图像,提供前方视野。

X-59座舱屏幕的艺术效果图丨来源:NASA

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飞机的型号为什么以“X”开头?

X-59是一架研究型飞机。

美国的军用飞机最初是由各个军种分别独立编号,即陆军、海军和空军都有自己的飞机命名和编号规则。随着飞机在作战中的地位越来越重要,各军种所采购和使用的飞机种类及数量都大幅增加,因此生产商所生产的某型飞机可能同时提供给不同的军种使用。在当时环境下,经常会为了适应不同军种的规则,而对相同的飞机采用不同编号的情况,这就给管理带来了很大的麻烦。

为了改变这种混乱的局面,1962年,美国三军根据美国国防部的命令并参考之前的规则,对军用飞机的编号方法进行了统一。此项工作由空军具体负责,后续也不断地修订。按照这一规则,一架军机的编号主要由机种代号、设计代号和其他代号组成。机种代号大多为一个字母,如A代表攻击机、B代表轰炸机、C代表运输机、F表示战斗机等。设计代号则按照设计时间的先后顺序编号,列于机种代号之后。此外,后面还按实际情况增加改型代号等等附加信息,例如前面提到的F-5E和F-15B都是依据这种规则而命名。

这个编号框架内几乎所有的飞行器均具有明确的实际作战使用指向,比如攻击、轰炸、运输、电子战等等,而X系列飞行器是唯一的例外。这类飞行器仅仅是为了探索或者研究某项新技术而研制,依托这一类飞行器所研发的新技术会被移植到其他实际飞行器使用。X这一字母源自英文“探索(explore)”一词的第二个字母,同时X在数学中一般也代表未知量,由此不难理解,所有的X飞行器都肩负着探索新技术和研究未知问题的使命。

探索的结果可能是历史性的突破。例如第一架X飞行器就是前面提及的首架有人驾驶并且突破“声障”的飞机X-1,该飞机直接推动了超音速飞机的发展;再如上世纪五六十年代研制的X-15高超音速飞行器曾总计飞行199架次,第一次实现了载人有控飞行器的高超音速飞行,为后续的航天飞机研制积累了大量经验和数据;进入新世纪以来,X-43A和X-51A飞行器则分别首次实现了氢燃料和碳氢燃料动力的吸气式推进高超音速飞行,为高超音速飞机的研制夯实了基础。

探索之路也一定不会总是坦途。历史上也有大量的X飞行器遭遇失败或者中途夭折。一个典型的实例就是X-30飞行器,其目标是建造一架从跑道水平起飞并一直飞入太空的单级入轨飞行器。由于初期论证过于乐观,没有充分预估巨大的技术难度,导致此项目历经十年,花费数十亿美元,最终以失败收场。不过这一项目直接牵引了计算机仿真技术、吸气式推进技术和新材料的飞速发展,为后续X-43A和X-51A的成功埋下了伏笔。

从X-59被赋予X系列的编号就可以知道,这架飞机的用途就是研究声爆问题并验证其相关的设计技术,而并非一架超音速民用飞机的原型机。实际上,X-59飞机仅是QueSST项目所研发的产品之一,其飞行试验也并非这一项目的全部。从公布的信息中可以获知,后续的飞行试验将通过大批铺设地面测试设备来收集X-59的声爆信息。为此,研究人员将在NASA阿姆斯特朗飞行研究中心附近的30英里沙漠中建立了10个麦克风站,这些设备的研发也是这个项目的组成部分。

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超音速民用飞机何时“返航”?

即便X-59的飞行试验取得巨大成功,也并不意味着超音速民航飞机的回归指日可待。

首先,X-59的推出仅表明这架飞机的研制完成。按照QueSST项目的研制计划,这仅仅完成了该项目所含四个阶段的第一步。后续还将依次开展其余三个阶段的研究,包括声爆性能飞行验证(阶段二);飞越选定的美国城市,并要求居民分享他们对X-59发出声音的反应,了解这种技术的公众接受性(阶段三);以及向美国和国际监管机构提供社区反应数据的完整分析,供其作为陆地上安静超音速飞行的新规则制定参考(阶段四)。整个项目预计将于2030年才全部结束。

其次,从X-59飞机的定位就可以知道,其功能主要是验证低声爆设计技术,而并非是超音速民用飞机的原型机。据NASA方面的计划,期望在2031年的国际民航组织航空环境保护委员会(CAEP)会议上,提出新的噪声标准。如果获得批准,研发实用飞机大概用时10年,最早可能在2040年左右推出超音速民用机型。这将是一个较为漫长的过程。另外,虽然以美国Boom公司为代表的民营公司已经开始正式研制超音速民用飞机,并已在当地时间2024年3月22日完成其XB-1飞机的首飞,但从其外形而言,无法看出典型的低声爆特征,且在其公布宣传信息中,也未提及声爆特性。尽管该公司声称目前已收到130份订单,并将于2029年正式投入商业运营,但届时能否获得适航许可仍是未知数。

第三,超音速民用飞机的运营不仅仅涉及技术层面和经济层面,更是一个社会问题。超音速飞行阻力剧增,因此燃料消耗也相应增加,这会带来废气排放量的增加。加之此类飞机的飞行高度一般在海拔18公里左右,已接近臭氧层密度较高的区域,是否会带来新的环境污染问题也将是后续的研究重点。在全球范围内对环境保护日益重视的大环境下,这一问题对超音速飞机的发展也将产生极大的影响。

图5 Boom公司发布的XB-1(上)和超音速民用飞机效果图丨来源:Boom Technology

不过,除美国以外,中国对超音速民机技术也正在研发,在2019年中国科协正式发布的20个重大科学问题和工程技术难题中,其中一项就是“绿色超音速民机设计技术”。据中国航空研究院相关专家透露,中国已突破了音爆高精准度预测、低阻力低音爆设计等绿色超音速民机的核心关键技术。因此,尽管目前尚无法给出超音速民机回归的具体时间表,但相信在不久的将来,绿色超音速民机定将重回蓝天,为人类提供更快速、更舒适、和更加绿色的出行工具。

参考文献

[1] https://www.nasa.gov/news-release/nasa-lockheed-martin-reveal-x-59-quiet-supersonic-aircraft/.

[2] https://www.space.com/nasa-x-59-quesst-supersonic-jet-unveiled.

[3] Domenic J. Maglieri, Percy J. Bobbitt, Kenneth J. Plotkin, et al. SONIC BOOM, Six Decades of Research. NASA/SP-2014-622, 2014.

[4] Dennis R. Jenkins, Tony Landis, and Jay Miller. AMERICAN X-VEHICLES An Inventory—X-1 to X-50. NASA/SP-2003-4531, 2003.

[5] 朱自强, 兰世隆. 超声速民机和降低音爆研究. 航空学报, 2015, 36(8): 2507-2528.

[6] 钱战森, 韩忠华. 声爆研究的现状与挑战. 空气动力学学报, 2019, 37(4): 601-619.

[7] https://news.cri.cn/uc-eco/20190701/6eaede1a-6e64-dd98-4ea8-906a43b92a7a.html

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