劉思靜

協(xié)和號(hào)停飛20多年后，超聲速客機(jī)重回公眾視野。2020年7月，著名的初創(chuàng)公司博姆公司（Boom）宣布，公司正在研制的XB-1超聲速客機(jī)整體式機(jī)翼和機(jī)身已經(jīng)完成對(duì)接，并完成了機(jī)翼的加載試驗(yàn)。XB-1超聲速飛機(jī)的載客人數(shù)為75人，按計(jì)劃將于2021年開(kāi)始試飛。

在此之前，另一家初創(chuàng)公司艾利安公司（Aerion）已經(jīng)宣布，公司正在研制的AS2超聲速公務(wù)機(jī)將在2024年首飛，2026年投入市場(chǎng)，而合作伙伴GE公司為其研制的“親和力”（Affinity）發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在今年2月完成了第一輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)，預(yù)計(jì)今年年底對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)審查?？梢哉f(shuō)，諸如Boom和Aerion這樣充滿創(chuàng)新力的初創(chuàng)型公司已經(jīng)成為超聲速客機(jī)研制的重要推動(dòng)力。

擅長(zhǎng)借力的Aerion

Aerion公司正在研制的AS2超聲速公務(wù)機(jī)是在研超聲速客機(jī)項(xiàng)目中較為成熟的一款。經(jīng)過(guò)多年的設(shè)計(jì)優(yōu)化和不斷驗(yàn)證，2020年Aerion公司確定了AS2項(xiàng)目的最終設(shè)計(jì)：采用全新的后掠三角翼來(lái)取代層流設(shè)計(jì)，飛機(jī)機(jī)身長(zhǎng)44米，翼展為24米，具有較大的前緣襟翼和后緣襟翼，能夠改善低速飛行性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低功率起飛階段滿足噪聲規(guī)定。

雖然目前對(duì)AS2機(jī)體活動(dòng)面尚未給出具體細(xì)節(jié)，但后緣襟翼被認(rèn)為支撐著一組高速內(nèi)側(cè)襟副翼、中跨襟翼和外側(cè)低速副翼，前緣襟翼內(nèi)側(cè)由固定部分組成，活動(dòng)面幾乎從發(fā)動(dòng)機(jī)短艙延伸到翼尖。

對(duì)于一直以來(lái)困擾著超聲速飛機(jī)的噪聲問(wèn)題，Aerion公司已明確表示，AS2超聲速公務(wù)機(jī)的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照FAA提出的噪聲認(rèn)證法規(guī)，即在采用有效感覺(jué)噪聲級(jí)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)下，其橫測(cè)噪聲不超過(guò)96.5分貝，飛越噪聲不超過(guò)94分貝，進(jìn)場(chǎng)噪聲不超過(guò)100.2分貝。

作為一家初創(chuàng)型公司，Aerion十分擅長(zhǎng)與傳統(tǒng)企業(yè)開(kāi)展合作，而靠譜的傳統(tǒng)制造商也為AS2超聲速公務(wù)機(jī)的研制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。AS2超聲速公務(wù)機(jī)采用了GE公司最新的Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。目前，這款發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)完成了初步設(shè)計(jì)審查，GE正在對(duì)測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的基準(zhǔn)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。這也是行業(yè)內(nèi)第一次在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上完成這一類型的聲學(xué)測(cè)試。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的目標(biāo)，未來(lái)GE還計(jì)劃在Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)上使用100%的可替代噴氣燃料。如果這一計(jì)劃最終得以實(shí)現(xiàn)，將大大降低超聲速客機(jī)的使用成本。根據(jù)計(jì)劃，AS2超聲速公務(wù)機(jī)將在今年10月完成飛機(jī)級(jí)的初步設(shè)計(jì)審查。

“瘋狂的”Boom

Boom公司研制的超聲速客機(jī)的原型機(jī)代號(hào)為XB-1，綽號(hào)“嬰兒潮”，寓意是希望其可以延續(xù)全球首款超聲速飛機(jī)X-1的輝煌。

XB-1原型機(jī)尺寸是未來(lái)量產(chǎn)版Overture超聲速客機(jī)的三分之一，外形設(shè)計(jì)上與協(xié)和號(hào)十分相似。XB-1原型機(jī)只有兩個(gè)座位，其作用是用來(lái)驗(yàn)證全尺寸Overture超聲速客機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)，其中包括高效的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、先進(jìn)復(fù)合材料和高效的推進(jìn)系統(tǒng)等。

2016年，Boom公司公布了XB-1飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)圖：飛機(jī)全長(zhǎng)為21米，翼展為5.2米，最大起飛質(zhì)量為6100千克。飛機(jī)整體采用了流線型和高細(xì)度比（飛機(jī)長(zhǎng)度與寬度之比）設(shè)計(jì)來(lái)減小阻力并提高飛行效率。機(jī)翼采用了三角翼設(shè)計(jì)，使飛機(jī)能夠在較寬的速度包線內(nèi)平衡飛行控制和穩(wěn)定性。

XB-1具有獨(dú)特的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，能夠保證為發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定的氣流，該設(shè)計(jì)已經(jīng)在超聲速風(fēng)洞中得到了驗(yàn)證。XB-1采用碳纖維、環(huán)氧樹(shù)脂等輕質(zhì)復(fù)合材料制成，每個(gè)組件都經(jīng)過(guò)了單獨(dú)設(shè)計(jì)以平衡強(qiáng)度、質(zhì)量和穩(wěn)定性。

目前，XB-1的設(shè)計(jì)制造已經(jīng)接近尾聲：駕駛艙完成了93%，已經(jīng)通過(guò)了人體工程學(xué)測(cè)試，確保了駕駛桿和油門等必要的設(shè)備始終處于飛行員使用的理想位置;整體式機(jī)翼和機(jī)身已經(jīng)完成對(duì)接，并完成了機(jī)翼的加載試驗(yàn);發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)100%就緒，XB-1選用3臺(tái)GE航空集團(tuán)的J85發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大推力為54.7kN，已經(jīng)通過(guò)性能測(cè)試;起落架正在生產(chǎn)中，剎車裝置能夠使飛機(jī)以343千米/小時(shí)的進(jìn)近速度安全著陸;垂直尾翼已經(jīng)安裝了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，正在為蒙皮收尾做準(zhǔn)備。

目前，Boom公司正在計(jì)劃進(jìn)行XB-1的滑行測(cè)試和飛行測(cè)試，并將建造一個(gè)包括飛行測(cè)試控制室和XB-1模擬室的支持設(shè)施來(lái)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，目的是將XB-1的飛行包線安全地?cái)U(kuò)展至超聲速。

Boom計(jì)劃將客艙座位分為兩列單座，保證每位乘客都能享受窗外的美景和充足的過(guò)道空間。為了盡可能減少飛行時(shí)間，飛機(jī)將在6萬(wàn)英尺的高空航行，屆時(shí)每位乘客都可以透過(guò)舷窗一睹地球弧線。

如今，XB-1項(xiàng)目已經(jīng)成為資本市場(chǎng)的寵兒。2019年，Boom公司就獲得了一筆1億美元的融資，助力其加速項(xiàng)目研發(fā)。此外，攜程也成為Boom公司的戰(zhàn)略合作伙伴，希望未來(lái)將這一劃時(shí)代的超聲速飛機(jī)引入中國(guó)商旅市場(chǎng)。

動(dòng)力是關(guān)鍵

除了噪聲、成本等常見(jiàn)問(wèn)題，決定超聲速客機(jī)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素是飛機(jī)動(dòng)力裝置的選擇。

2018年，在美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）2018年度航空峰會(huì)上，波音出人意料地公開(kāi)了一款高超聲速民用飛機(jī)方案。波音表示，這款高超聲速飛機(jī)的速度將達(dá)到5倍聲速，這意味著這款飛機(jī)在倫敦飛往紐約的跨大西洋航線上只需要2個(gè)小時(shí)就可以抵達(dá)目的地。

波音還表示，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的預(yù)研和論證，全尺寸渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)是高超聲速飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的最佳解決方案。但事實(shí)上，要開(kāi)發(fā)一款全新的此類發(fā)動(dòng)機(jī)絕非易事。尤其是在一場(chǎng)突發(fā)的新冠肺炎疫情之后，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，短期內(nèi)不可能花費(fèi)大量的資金去研制一款全新的產(chǎn)品。因此，如何在發(fā)動(dòng)機(jī)制造商已有產(chǎn)品中進(jìn)行選擇，并根據(jù)需要進(jìn)行改進(jìn)或在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上研制一款更具針對(duì)性的產(chǎn)品，成為了初創(chuàng)公司折中的選擇。

對(duì)于超聲速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，較為適合的是涵道比為3～4的中等涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。足夠低的涵道比能夠減少飛機(jī)起飛時(shí)的噪聲，同時(shí)也不會(huì)引起太多的波阻，并保證足夠高的燃油效率。對(duì)此，波音臭鼬工廠的飛行器設(shè)計(jì)與技術(shù)主任戴夫·理查森曾表示：“盡管如今新材料的發(fā)展已經(jīng)能夠讓核心機(jī)的工作溫度更高，但對(duì)于超聲速飛機(jī)來(lái)說(shuō)，這種循環(huán)參數(shù)并不是最理想的。相比之下，普惠公司的JT8D或GE公司的J79比如今新一代發(fā)動(dòng)機(jī)更適合在超聲速飛機(jī)上使用?！闭?yàn)槿绱?，Boom公司為XB-1選擇了J85發(fā)動(dòng)機(jī)。

Aerion公司選擇的Affinity是一款雙軸的中等涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，集成了一個(gè)類似于戰(zhàn)斗機(jī)的兩級(jí)風(fēng)扇和CFM56/F101的核心機(jī)，有9級(jí)高壓壓氣機(jī)、單級(jí)高壓渦輪和2級(jí)低壓渦輪。它在設(shè)計(jì)上的獨(dú)特之處在于有一個(gè)低阻力的進(jìn)氣錐，帶有可調(diào)后緣的固定進(jìn)口導(dǎo)流葉片和兩級(jí)寬弦整體葉盤風(fēng)扇。發(fā)動(dòng)機(jī)尾部有一個(gè)復(fù)雜的陶瓷基復(fù)合材料排氣混合組件，類似的設(shè)計(jì)在GE公司的“通行證”（Passport）發(fā)動(dòng)機(jī)中曾使用過(guò)。

此外，Affinity還使用了全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，被設(shè)計(jì)為既能在水面上空以Ma1.4進(jìn)行超聲速巡航，又能在陸地上空高效地亞聲速飛行，而不用修改現(xiàn)有的適航章程。在合適的氣候環(huán)境和復(fù)雜算法的控制下，AS2能以Ma1.2在陸地上空飛行而不產(chǎn)生聲爆現(xiàn)象，并符合第五階段關(guān)于飛機(jī)起飛和降落的噪聲要求。

對(duì)此，GE公司表示：“Affinity既不是一臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，也不是一臺(tái)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，也不像曾經(jīng)安裝在協(xié)和號(hào)上的發(fā)動(dòng)機(jī)。它是介于民用發(fā)動(dòng)機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)兩者之間的一款產(chǎn)品?！?/p>

但無(wú)論是像Boom公司那樣選擇一款已有產(chǎn)品還是像Aerion公司那樣選擇一款新研制的產(chǎn)品，這些發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)的匹配性究竟如何都還是一個(gè)未知數(shù)。對(duì)于超聲速客機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)系著飛機(jī)的噪聲、成本等諸多決定項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素。從這個(gè)角度來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為了超聲速客機(jī)何時(shí)重回市場(chǎng)的關(guān)鍵。

適航的挑戰(zhàn)

不過(guò)，盡管初創(chuàng)公司所描繪的超聲速客機(jī)的未來(lái)令人怦然心動(dòng)，但超聲速客機(jī)要真正回歸市場(chǎng)還面臨著很多的困難和挑戰(zhàn)。

首當(dāng)其沖的困難是適航。解決不了這一問(wèn)題，超聲速客機(jī)的回歸便無(wú)從談起。聲爆是飛行器在超聲速飛行時(shí)產(chǎn)生的一種大氣聲學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)飛行器突破聲障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，這些能量傳到地面，會(huì)產(chǎn)生短暫而強(qiáng)烈的爆炸聲。因此，聲爆的強(qiáng)弱關(guān)系到客機(jī)能否被允許在陸地上空以超聲速飛行，若噪聲問(wèn)題得不到解決，超聲速客機(jī)就很難被大眾所接受。

與此同時(shí)，相應(yīng)的組織也在加快對(duì)超聲速客機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的重新制定和相關(guān)適航工作的開(kāi)展。2018年，F(xiàn)AA獲得立法授權(quán)，主持制定超聲速民用飛機(jī)的相關(guān)規(guī)則，其中包括指導(dǎo)建立噪聲標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(yǔ)規(guī)范。該授權(quán)要求FAA在5年內(nèi)完成規(guī)章制定工作，為超聲速民用飛機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策提供所需的規(guī)章依據(jù)。

NASA也將在2021年中期開(kāi)展低聲爆飛行演示驗(yàn)證，試驗(yàn)對(duì)象為洛克希德·馬丁公司研發(fā)的X-59 QueSST超聲速飛機(jī)。通過(guò)收集社區(qū)響應(yīng)數(shù)據(jù)，NASA將建立一個(gè)可接受的超聲速民用飛機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，以取代現(xiàn)行的禁止陸地上空進(jìn)行超聲速飛行的法規(guī)。

2023年至2025年，NASA將測(cè)試美國(guó)社區(qū)對(duì)飛機(jī)噪聲的反應(yīng)，測(cè)試數(shù)據(jù)將提供給國(guó)際民航組織（ICAO），并計(jì)劃在2025年上半年完成噪聲標(biāo)準(zhǔn)和巡航聲爆限制規(guī)章的制定工作。

NASA在波音和洛克希德·馬丁的支持下，于2019年開(kāi)展了低聲爆驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)，以了解公眾對(duì)低聲爆的反應(yīng)。NASA的低聲爆驗(yàn)證機(jī)采用單發(fā)設(shè)計(jì)，模擬80～100座級(jí)飛機(jī)以Ma1.6～1.8的速度飛行時(shí)的激波特征。該驗(yàn)證機(jī)的聲爆水平相比協(xié)和號(hào)低了一半。NASA希望通過(guò)設(shè)計(jì)更改，讓低聲爆驗(yàn)證機(jī)能夠?qū)⒃揪薮蟮穆暠瑴p弱為低峰值聲爆。該試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)有望在今年提交FAA和國(guó)際民航組織。

此外，對(duì)于一款商用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，技術(shù)成功和市場(chǎng)成功兩者是缺一不可的。未來(lái)，超聲速飛機(jī)要避免重蹈協(xié)和號(hào)的覆轍，必須在提高經(jīng)濟(jì)性上做足功課。目前，無(wú)論是Aerion公司還是Boom公司，都在可持續(xù)發(fā)展上進(jìn)行了探索。

Aerion公司正在和GE公司共同努力，希望未來(lái)Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用新一代清潔能源以替代傳統(tǒng)的燃油，甚至未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)飛行;Boom公司則不僅計(jì)劃使用低碳的航空燃料，更在地面和空中試驗(yàn)中都進(jìn)行了100%碳中和測(cè)試。

可以說(shuō)，在吸取了協(xié)和號(hào)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)之后，在新技術(shù)、新理念的推動(dòng)下，充滿創(chuàng)新活力的初創(chuàng)企業(yè)或許能給業(yè)界帶來(lái)更多驚喜，讓我們拭目以待。