錢(qián)錕

超級(jí)聲爆危害大

我們知道，飛機(jī)超聲速飛行時(shí)，聲波會(huì)疊加在機(jī)身之后，再一點(diǎn)點(diǎn)散開(kāi)，就好比飛機(jī)的尾巴拖著一個(gè)由聲波組成的圓錐，這就是馬赫錐。如果這時(shí)飛機(jī)突然加速，其產(chǎn)生的馬赫錐的形狀就會(huì)改變，其馬赫角變小，從而導(dǎo)致早先形成的馬赫錐還沒(méi)有散去，新產(chǎn)生的馬赫錐就和舊的交匯融合，而馬赫錐交匯融合的曲線(xiàn)被稱(chēng)為焦散曲線(xiàn)（caustic），而位于焦散曲線(xiàn)上的聲爆就是超級(jí)聲爆。

理論上講，超級(jí)聲爆的強(qiáng)度比普通聲爆要大得多，原因是超級(jí)聲爆是相位相同、強(qiáng)度不同的無(wú)窮多個(gè)聲波（N波）在焦散曲線(xiàn)上疊加的結(jié)果。超級(jí)聲爆的波形呈現(xiàn)獨(dú)特的字母“u”形狀，俗稱(chēng)u波，而u波一旦傳到地面，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度加倍的轟鳴聲，人會(huì)聽(tīng)到強(qiáng)度更大的“嘭-嘭”兩聲巨響。

相對(duì)于普通聲爆，超級(jí)聲爆能量更大，危害更大。如果普通聲爆能夠震碎門(mén)窗玻璃，那么同等量級(jí)的超級(jí)聲爆就足以震垮塌鋼結(jié)構(gòu)樓房。值得注意的是，超級(jí)聲爆如果發(fā)生在在焦散曲線(xiàn)與地面的相切點(diǎn)上，那么對(duì)相切點(diǎn)及附近的破壞肯定是最嚴(yán)重的。而地面其他區(qū)域的人們只能感受到常規(guī)聲爆。因?yàn)榻股⑶€(xiàn)與地面的相切點(diǎn)只有一個(gè)，所以超級(jí)聲爆只能在這個(gè)切點(diǎn)上被測(cè)試到。

反射現(xiàn)象的玄機(jī)

超級(jí)聲爆的另一個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象就是反射現(xiàn)象，即u波會(huì)沿著焦散曲線(xiàn)發(fā)生反射。如果焦散曲線(xiàn)的高度高于地面，則向下傳播的聲爆N波在焦散曲線(xiàn)處變?yōu)閡波，并向天空方向反射，從而避免了高強(qiáng)度的u波傳向地面方向。而傳向地面的是低能量的散射波，基本可被忽略。

同理，向上傳播的聲爆N波在焦散曲線(xiàn)處變?yōu)閡波，并向地面方向反射，但由于其傳播距離過(guò)大，最終到達(dá)地面已經(jīng)穿越了很遠(yuǎn)的距離，其u波攜帶的高能量大部分會(huì)在大氣中耗散掉，而最終到達(dá)地面的反射波能量被大大削弱。所以，反射到地面的超級(jí)聲爆的u波強(qiáng)度也很低，但是否能被忽略，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

研究人員開(kāi)始認(rèn)真研究超級(jí)聲爆控制問(wèn)題始于2011年。當(dāng)年，NASA德萊頓飛行研究中心在位于加州的愛(ài)德華空軍基地展開(kāi)了具有開(kāi)創(chuàng)性的試驗(yàn)，被稱(chēng)為“超級(jí)聲爆焦散曲線(xiàn)分析與測(cè)量飛行試驗(yàn)研究項(xiàng)目”（簡(jiǎn)稱(chēng)Scamp項(xiàng)目）。在2013年1月召開(kāi)的美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)福特沃茲會(huì)議上，Scamp項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人、NASA工程師朱麗葉·佩奇（Juliet Page）首次向外界公布了其超級(jí)聲爆飛行試驗(yàn)研究項(xiàng)目的工程細(xì)節(jié)，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

Scamp項(xiàng)目的試驗(yàn)方法是在愛(ài)德華空軍基地旁的沙漠中布置一個(gè)直線(xiàn)噪聲傳感器陣列，該陣列由81個(gè)噪聲傳感器組成，而F/A-18研究試驗(yàn)機(jī)則在10 000英尺（合3 048米）高空沿著這個(gè)直線(xiàn)噪聲傳感器陣列飛過(guò)，并反復(fù)進(jìn)行直線(xiàn)加速度超聲速飛行，以便地面的噪聲傳感器采集到聲爆強(qiáng)度數(shù)據(jù)。據(jù)悉，目前，Scamp項(xiàng)目已經(jīng)飛了13個(gè)架次，期間成功測(cè)量到了20次強(qiáng)度不等的超級(jí)聲爆，試飛效果很理想。

Scamp項(xiàng)目的試驗(yàn)?zāi)康挠腥菏紫仁蔷_測(cè)量超級(jí)聲爆發(fā)生的位置，并測(cè)量其傳到地面的最大強(qiáng)度；其次是提取試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)用于校準(zhǔn)NASA之前研發(fā)的超級(jí)聲爆預(yù)測(cè)和計(jì)算軟件的計(jì)算精度；第三是設(shè)法控制超級(jí)聲爆的波形，降低超級(jí)聲爆的u波強(qiáng)度，甚至完全消除有害的超級(jí)聲爆。前兩條試驗(yàn)?zāi)康囊呀?jīng)圓滿(mǎn)達(dá)成，而最后一個(gè)難度過(guò)大，還在探索之中。

關(guān)于超級(jí)聲爆控制技術(shù)研究，目前NASA有兩個(gè)思路，第一個(gè)思路和普通聲爆控制技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)完全相同，即設(shè)法改變超級(jí)聲爆的波形，力求將超級(jí)聲爆的波形從u形優(yōu)化成為接近“正弦函數(shù)波形”，從而降低其強(qiáng)度。這個(gè)思路的優(yōu)點(diǎn)是可以利用現(xiàn)成的普通聲爆控制技術(shù)研究成果，缺點(diǎn)是即使成功修型，超級(jí)聲爆的強(qiáng)度可能仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通聲爆，遠(yuǎn)超過(guò)人們可接受的水平。

第二個(gè)思路則非常新穎，即利用超級(jí)聲爆的反射特點(diǎn)，將向下傳播的聲爆N波在焦散曲線(xiàn)處變?yōu)閡波，并向天空方向反射。從而避免了高強(qiáng)度的u波傳向地面方向。這一思路非常具有創(chuàng)新意義，而且代價(jià)很低，所以引起了業(yè)界的極大關(guān)注。Aerion集團(tuán)更是不惜重金和NASA合作研究了“跨聲速聲爆消減技術(shù)”（Transonic Boom Cutoff），以求應(yīng)用到其正在研發(fā)的SSBJ超聲速公務(wù)機(jī)之上。但是這個(gè)思路實(shí)現(xiàn)起來(lái)有如下前提條件。

條件一 不能飛得太低，因?yàn)橹挥醒埠礁叨茸銐蚋?，才能保證焦散曲線(xiàn)的高度高于地面，這也是Aerion集團(tuán)為什么將其SSBJ超聲速公務(wù)機(jī)的巡航高度設(shè)定為51 000英尺（15 545米）的主要原因。

條件二 飛行馬赫數(shù)必須嚴(yán)格限制在馬赫數(shù)1.1～1.2范圍內(nèi)，進(jìn)行加速-減速-加速的往復(fù)循環(huán)變速飛行，不能飛得太快，因?yàn)橹挥羞@樣，焦散曲線(xiàn)的高度才能高于地面，從而形成“綠色”的無(wú)聲爆區(qū)域。當(dāng)然，這提高了超聲速飛行器飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。據(jù)猜測(cè)，Aerion集團(tuán)在其SSBJ超聲速公務(wù)機(jī)的電傳飛控系統(tǒng)軟件中寫(xiě)入了有關(guān)飛行速度的循環(huán)程序。實(shí)際效果有待觀察。

無(wú)論如何，NASA的Scamp項(xiàng)目使得人類(lèi)對(duì)于超級(jí)聲爆這一奇特自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)又深入了一步，為人類(lèi)探索完美超級(jí)聲爆控制技術(shù)提供了新的思路。協(xié)和飛機(jī)退役以來(lái)，國(guó)外居然沒(méi)有一種超聲速旅客機(jī)服役，可見(jiàn)聲爆已經(jīng)成為了制約民用超聲速飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。如果Scamp項(xiàng)目的研究成果能使民用飛機(jī)在陸地上空超聲速飛行，市場(chǎng)前景就太大了。

責(zé)任編輯：吳佩新