■ 張啟軍 李明/中國(guó)航發(fā)研究院

6月19日，洛克希德-馬?。羼R）公司在達(dá)拉斯舉辦的美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)航空論壇（AIAA Aviation Forum）上，公布了一個(gè)馬赫數(shù)（Ma）1.8的靜音超聲速客機(jī)方案。與早期的超聲速運(yùn)輸（SST）項(xiàng)目有所不同，此方案集成了新的設(shè)計(jì)、推進(jìn)、空氣空力學(xué)和系統(tǒng)等方面的使能技術(shù)，可搭載40人，能很經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行在跨太平洋的航線上，同時(shí)能破解擊敗“協(xié)和”號(hào)超聲速客機(jī)的聲爆和機(jī)場(chǎng)噪聲問(wèn)題。

方案特點(diǎn)

洛馬公司的靜音超聲速客機(jī)方案采用了大后掠角三角翼、長(zhǎng)機(jī)體、V形尾翼的布局。機(jī)體長(zhǎng)68.58m，翼展為22.25m，與“協(xié)和”號(hào)相比，機(jī)體在整體上更細(xì)長(zhǎng)但翼展略小，其中頭部長(zhǎng)約21m，客艙位于機(jī)體中間，約24m。兩臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在飛機(jī)尾背，進(jìn)氣道被三角翼遮擋，可屏蔽進(jìn)口激波，降低噪聲；單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為178kN。

新方案在設(shè)計(jì)上很大程度得益于X-59驗(yàn)證機(jī)，并利用了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）先期N+2靜音超聲速計(jì)劃的研究成果。后者首次驗(yàn)證了低聲爆可以與良好的超聲速巡航升阻比設(shè)計(jì)相兼容，并確定了X-59驗(yàn)證機(jī)和該方案的基本構(gòu)型。

X-59是NASA“低聲爆飛行驗(yàn)證”項(xiàng)目誕生的“安靜超聲速運(yùn)輸”（QueSST）驗(yàn)證機(jī)，由洛馬公司的臭鼬工廠負(fù)責(zé)，于2016年開(kāi)始設(shè)計(jì)，2018年開(kāi)始制造，計(jì)劃2021年首飛。洛馬公司將借以收集社區(qū)測(cè)試飛行數(shù)據(jù)，了解聲爆的可接受性；幫助NASA建立一個(gè)可接受的商業(yè)超聲速噪聲標(biāo)準(zhǔn)，以改變美國(guó)禁止超聲速民機(jī)在陸地上空飛行的法規(guī)，這也是超聲速客機(jī)商業(yè)運(yùn)行的先決條件。洛馬公司的X-59項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示，公司已擁有能夠大幅降低聲爆的技術(shù)，通過(guò)重塑聲爆使之安靜下來(lái)。

細(xì)長(zhǎng)型超聲速客機(jī)概念設(shè)計(jì)（來(lái)源：洛馬公司）

洛馬公司40座靜音超聲速客機(jī)概念（前）利用了X-59驗(yàn)證機(jī)成果（后）（來(lái)源：洛馬公司）

X-59驗(yàn)證機(jī)（來(lái)源：NASA）

市場(chǎng)分析

洛馬公司對(duì)超聲速運(yùn)輸市場(chǎng)開(kāi)展了分析，建立了一系列基本要求，包括航程、起飛距離、載容量、超聲速巡航起始時(shí)聲爆強(qiáng)度、陸地上空和水面上空巡航馬赫數(shù)、機(jī)場(chǎng)噪聲等。其中，航程最小值設(shè)定在7778km，洛馬公司認(rèn)為這足以滿足大多數(shù)的城市對(duì)之間的飛行；而當(dāng)航程設(shè)定在9816km時(shí)，則能實(shí)現(xiàn)跨太平洋的不間斷飛行，輕松覆蓋紐約—倫敦、東京—洛杉磯、倫敦—北京、東京—悉尼等航線；起飛場(chǎng)長(zhǎng)為2900～3200m。在參考“協(xié)和”號(hào)、研究市場(chǎng)需求和載荷等因素后，發(fā)現(xiàn)載客量最佳值是40人。目前，聲爆強(qiáng)度定在低于80感知分貝水平（PLdB），但實(shí)際能否實(shí)現(xiàn)，還有待X-59的社區(qū)測(cè)試結(jié)果。對(duì)于陸地上空巡航馬赫數(shù)，洛馬公司的設(shè)計(jì)被優(yōu)化到Ma1.7或者略高，Ma1.6或更低的速度對(duì)飛機(jī)的利用率和飛行效率不利。對(duì)于水面上空飛行，首選是Ma1.7或略高，但超過(guò)Ma1.8時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響聲爆強(qiáng)度。

使能技術(shù)

為滿足以上需求，洛馬公司采用了4項(xiàng)關(guān)鍵的使能技術(shù)：聲爆塑形（shaped-boom）設(shè)計(jì)、低噪聲集成推進(jìn)系統(tǒng)、超聲速自然層流（NLF）后掠翼以及座艙內(nèi)可視的外部視景系統(tǒng)（XVS）。

靜音超聲速客機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)（來(lái)源：洛馬公司）

洛馬公司超聲速客機(jī)主要航線及省時(shí)估計(jì)

靜音超聲速客機(jī)框架結(jié)構(gòu)（來(lái)源：洛馬公司）

聲爆塑形設(shè)計(jì)

該技術(shù)的成熟是洛馬公司當(dāng)前選擇發(fā)展超聲速客機(jī)的關(guān)鍵因素之一，X-59設(shè)計(jì)采用的工具與方法可以100%移植其中。20年前，聲爆強(qiáng)度只能控制在85～90 PLdB；10年前，也沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)低聲爆，但研究工作一直在持續(xù)。就在洛馬公司與NASA合作開(kāi)發(fā)N+2計(jì)劃時(shí)，對(duì)降低聲爆，以及減小影響超聲速巡航效率的研究都取得了較大的進(jìn)展。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的進(jìn)步能夠精確模擬流場(chǎng)，新的工具能夠探索復(fù)雜三維流動(dòng)擾動(dòng)。同時(shí)，新的優(yōu)化器提供了一種快速識(shí)別設(shè)計(jì)是否可行的方法。這些工具當(dāng)時(shí)應(yīng)用于一個(gè)Ma1.5～1.7、35～70座的飛機(jī)，其聲爆強(qiáng)度為85 PLdB，機(jī)場(chǎng)可感噪聲比第四階段低12dB，所有這些指標(biāo)都與洛馬公司當(dāng)前的方案接近。

低噪聲集成推進(jìn)系統(tǒng)

該技術(shù)主要解決機(jī)場(chǎng)噪聲問(wèn)題，對(duì)未來(lái)超聲速商業(yè)飛行能否被接受至關(guān)重要，現(xiàn)有的貨架發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足需求。經(jīng)過(guò)十多年基礎(chǔ)性研究，洛馬公司建構(gòu)了許多“積木”式模塊，發(fā)現(xiàn)將其集成起來(lái)，可得到滿足需求的推進(jìn)系統(tǒng)。主要包括先進(jìn)的氣動(dòng)塞式噴管、噪聲屏蔽設(shè)計(jì)以及能在進(jìn)口湍流下高效工作的抗扭曲風(fēng)扇葉片。

進(jìn)氣道采用了“流線跟蹤的外部壓縮”（STEX）設(shè)計(jì)，NASA經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，它能夠引導(dǎo)激波從進(jìn)口溢出并遠(yuǎn)離飛機(jī)，提供噪聲屏蔽且降低聲爆。STEX設(shè)計(jì)針對(duì)Ma1.6或略高值進(jìn)行了優(yōu)化，融合了外部超聲壓縮和內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道，與傳統(tǒng)軸對(duì)稱錐形進(jìn)氣道相比，能夠產(chǎn)生低阻力的外罩角。進(jìn)氣道前緣呈斜切割狀，能將結(jié)尾激波控制在唇口，亞聲速溢流固定在唇口的一小部分；該切割特征使進(jìn)氣道與飛機(jī)一體化，可控制溢流與上翼面的相互作用。小的外罩角和固定位置的亞聲速溢流還能降低導(dǎo)致聲爆的外部壓力擾動(dòng)。但STEX設(shè)計(jì)也面臨一些挑戰(zhàn)，仍需繼續(xù)研究。例如，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)軸對(duì)稱錐形進(jìn)氣道相比，結(jié)尾激波和邊界層的相互作用導(dǎo)致總壓恢復(fù)較低，潛在的解決辦法包括增加喉部放氣或者引入渦流發(fā)生器。

推進(jìn)系統(tǒng)將采用當(dāng)前先進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)，匹配一套新研制的低壓系統(tǒng)。就風(fēng)扇而言，對(duì)于高效的超聲速飛行，風(fēng)扇尺寸要小且壓比高；但對(duì)于低噪聲，風(fēng)扇則要求大尺寸和壓比低。就此，洛馬公司宣稱已有解決方案，使飛機(jī)在起降、超聲速巡航時(shí)都能良好表現(xiàn)。

超聲速自然層流后掠翼技術(shù)

通過(guò)設(shè)計(jì)具有合理壓力梯度的機(jī)翼，可以得到自然層流（NLF），延遲層流到湍流的轉(zhuǎn)捩。以前，NLF機(jī)翼主要應(yīng)用于小型飛機(jī)或小后掠角的設(shè)計(jì)。洛馬公司當(dāng)前面臨的困難是隨機(jī)翼后掠角的增大，三維流場(chǎng)變得容易對(duì)一種邊界層不穩(wěn)定較為敏感，也稱為橫向渦流不穩(wěn)定，導(dǎo)致邊界層在靠近機(jī)翼前緣處就變成湍流。雖然洛馬公司與Aerion公司針對(duì)AS2超聲速客機(jī)，合作研究過(guò)層流機(jī)翼，但該技術(shù)對(duì)當(dāng)前的低噪聲和聲爆塑形設(shè)計(jì)并不適用。

目前，NLF的技術(shù)成熟度仍非常低，但潛力巨大。洛馬公司表示，NASA在過(guò)去幾年開(kāi)展了大量超聲速自然層流大后掠翼研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)飛行目標(biāo)至關(guān)重要，其核心是降低阻力而不犧牲聲爆塑形特征。

座艙內(nèi)的外部視景系統(tǒng)

大后掠翼的特點(diǎn)決定飛機(jī)在起降時(shí)采用大迎角，導(dǎo)致駕駛艙視野被長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)頭遮擋?！皡f(xié)和”號(hào)的應(yīng)對(duì)策略是采用下垂式機(jī)頭設(shè)計(jì)，但洛馬公司利用現(xiàn)代技術(shù)優(yōu)勢(shì)，避免了復(fù)雜結(jié)構(gòu)和質(zhì)量增加。外部視景系統(tǒng)（XVS）由NASA專為X-59驗(yàn)證機(jī)開(kāi)發(fā)，帶有安裝在機(jī)頭上表面的前視4K高清攝像系統(tǒng)，同時(shí)配合使用雙攝像頭多光譜紅外增強(qiáng)視覺(jué)系統(tǒng)（EVS）。

主要超聲速客機(jī)概念方案對(duì)比

X-59駕駛艙內(nèi)高清顯示系統(tǒng)（來(lái)源：洛馬公司）

綜合分析

超聲速飛行早非新鮮事物，畢竟先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)加力超聲速巡航，而且“協(xié)和”號(hào)十多年前已開(kāi)展過(guò)商業(yè)運(yùn)行；但考慮低噪聲、經(jīng)濟(jì)、安全、高效等嚴(yán)格要求，民用超聲速運(yùn)輸對(duì)人類仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。

除洛馬公司外，還有多家公司相繼推出了各自的超聲速客機(jī)概念，老牌公司如波音，初創(chuàng)公司如Spike、Boom、Aerion等，各方案均有不同，但動(dòng)力系統(tǒng)始終是飛行的關(guān)鍵，對(duì)飛機(jī)性能起決定性作用，超聲速客機(jī)尤為如此。這些方案的速度多在Ma1.8左右，動(dòng)力仍采用傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基本無(wú)法滿足需求，均須重新研發(fā)以適應(yīng)高速、大推力、經(jīng)濟(jì)、低噪聲的使用要求。除相對(duì)低速的AS2項(xiàng)目已有明確動(dòng)力并發(fā)布計(jì)劃外，其余方案只是提出了對(duì)動(dòng)力的需求與基本設(shè)想，未來(lái)的發(fā)展仍不太明朗。

雖然近幾年發(fā)布了多個(gè)方案，但各家出發(fā)點(diǎn)并不相同：初創(chuàng)類公司是想通過(guò)另辟蹊徑、創(chuàng)造新需求，在絕對(duì)壟斷、難以進(jìn)入的民機(jī)市場(chǎng)中開(kāi)辟新市場(chǎng)，進(jìn)而分羹；但老牌航空科技公司，則更多是不愿看到有人搶食，被迫跟上，如洛馬公司很可能是考慮X-59項(xiàng)目進(jìn)展良好，提前開(kāi)展市場(chǎng)布局，盡早轉(zhuǎn)化項(xiàng)目成果。

相比洛馬公司、NASA等持續(xù)開(kāi)展基礎(chǔ)性研究，通過(guò)技術(shù)推動(dòng)超聲速客機(jī)發(fā)展，市場(chǎng)的需求牽引則更為重要。如果AS2項(xiàng)目成功，受市場(chǎng)追捧，相信會(huì)有更多的制造商加入，而諸如洛馬、波音、空客等實(shí)力雄厚的公司，則會(huì)迅速將技術(shù)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品，搶占新興市場(chǎng)。