王元元

除了熱情高漲的創(chuàng)業(yè)公司，美國(guó)航空航天局（NASA）近年來(lái)在超聲速客機(jī)研制方面也持續(xù)發(fā)力。前不久，NASA提出了未來(lái)10年投資106億美元的X系列驗(yàn)證機(jī)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，其中超聲速低聲爆X驗(yàn)證機(jī)成為最先啟動(dòng)的項(xiàng)目。NASA將通過(guò)該項(xiàng)目研究公眾對(duì)低聲爆的接受程度，獲取足夠的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)以說(shuō)服適航當(dāng)局解除在大陸上空進(jìn)行超聲速商用飛行的禁令，從而使人類(lèi)重返超聲速運(yùn)輸時(shí)代。

NASA計(jì)劃研制的超聲速驗(yàn)證機(jī)被稱(chēng)為“安靜超聲速技術(shù)低聲爆飛行驗(yàn)證機(jī)”（QueSST）。NASA已經(jīng)授予洛馬公司臭鼬工廠一份價(jià)值2000萬(wàn)美元的合同，要求后者開(kāi)展QueSST的初步設(shè)計(jì)，并在2017年4月進(jìn)行初步設(shè)計(jì)評(píng)審。然后，NASA將采取公開(kāi)競(jìng)標(biāo)的方式選擇制造商開(kāi)展QueSST制造工作，2019年9月完成QueSST首飛。NASA商用超聲速技術(shù)研發(fā)計(jì)劃經(jīng)理彼得·科恩透露，QueSST項(xiàng)目成本預(yù)計(jì)為3億美元。

QueSST長(zhǎng)27.4米，重9.072噸，巡航速度為Ma1.4～1.45，巡航高度為14935～15545米（49000～51000英尺），安裝一臺(tái)帶加力燃燒室的GE F404戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。QueSST雖然尺寸上與大型運(yùn)輸飛機(jī)相差不少，但是它可以模擬100～120座級(jí)的超聲速大型客機(jī)的聲壓特征。

QueSST的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是產(chǎn)生響度僅為75PLdB（感覺(jué)噪聲級(jí)）的正弦型激波，使得激波“柔軟地撞擊”地面而不產(chǎn)生聲爆。相比之下，協(xié)和號(hào)超聲速客機(jī)產(chǎn)生的N型激波則會(huì)伴隨著“砰、砰”兩聲猛烈撞擊地面，響度高達(dá)105PLdB。75PLdB也是NASA認(rèn)為的小型超聲速客機(jī)可被公眾所接受的聲爆門(mén)檻值。

在傳統(tǒng)的超聲速布局設(shè)計(jì)中，分別來(lái)自機(jī)頭、座艙蓋、進(jìn)氣口、機(jī)翼和尾翼的激波在大氣中傳播時(shí)會(huì)聚集，進(jìn)而產(chǎn)生更強(qiáng)的N型激波。低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)通過(guò)對(duì)飛機(jī)外形進(jìn)行優(yōu)化，使得機(jī)身不同部位產(chǎn)生強(qiáng)度更小的激波，同時(shí)這些激波也不會(huì)產(chǎn)生匯聚，也就是說(shuō)將N型激波的壓力峰值變小，成為S型激波，從而聲音達(dá)到地面時(shí)會(huì)聽(tīng)起來(lái)比較“柔軟”。QueSST的外形具有一些明顯的特征，包括破除弓形激波的細(xì)長(zhǎng)尖頭機(jī)身、可屏蔽噪聲的小展銷(xiāo)比三角翼和翼上安裝單發(fā)動(dòng)機(jī)、鴨翼、用于控制激波的垂尾頂部小平尾以及位于細(xì)長(zhǎng)機(jī)身最后端的升力平尾。

洛馬負(fù)責(zé)QueSST項(xiàng)目的首席工程師邁克·博南諾表示，“我們所有的外形設(shè)計(jì)都是為了達(dá)到75PLdB的目標(biāo)，但是為了平衡升力需求，有些部位做了折中。在平尾的位置，我們?cè)O(shè)計(jì)了用于控制激波的垂尾頂部小平尾。在機(jī)身最后端布置了升力平尾，這與常規(guī)平尾為配平力矩產(chǎn)生向下的力是不同的。”此外，洛馬的設(shè)計(jì)方案需要滿(mǎn)足可縮放的要求（試驗(yàn)結(jié)果與大型飛機(jī)的可比性），需要將QueSST噪聲峰值頻率控制在8赫茲，并且保持兩者音爆波形的相似。

由于QueSST機(jī)頭非常細(xì)長(zhǎng)，加之座艙出于保形設(shè)計(jì)的需要視野不太好，駕駛員需要合成視景系統(tǒng)來(lái)輔助進(jìn)行操作。并且由于該機(jī)采用靜不穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，需要應(yīng)用主動(dòng)電傳飛控系統(tǒng)。細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)彈性問(wèn)題也是要考慮的問(wèn)題。QueSST的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求是要經(jīng)濟(jì)可承受和低風(fēng)險(xiǎn)，因此盡量采用現(xiàn)貨發(fā)動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)。投資3億美元的QueSST項(xiàng)目飛行驗(yàn)證的內(nèi)容預(yù)計(jì)包括包線擴(kuò)展飛行，但是不包括或?qū)⒃?020年開(kāi)始的公眾反應(yīng)測(cè)試。公眾反應(yīng)測(cè)試主要是利用有人駕駛的X驗(yàn)證機(jī)飛躍人口稠密區(qū)，以收集人們尤其是屋里的人們對(duì)聲爆的反應(yīng)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將會(huì)被提供給FAA和國(guó)際民用航空組織（ICAO），以幫助他們做出解除超聲速跨大陸飛行的禁令。

超聲速X驗(yàn)證機(jī)將會(huì)具有2小時(shí)的飛行時(shí)間，在進(jìn)行公眾反應(yīng)飛行測(cè)試中將進(jìn)行2次獨(dú)立的巡航狀態(tài)聲爆試驗(yàn)。但是對(duì)于可能產(chǎn)生更強(qiáng)聲爆的的加、減速飛行，NASA也在考慮如何利用X驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行低聲爆驗(yàn)證。