■ 付玉 / 中國航發(fā)研究院

美國低聲爆飛行驗證機（LBFD）項目旨在降低超聲速飛行帶來的噪聲困擾，并為超聲速陸上飛行的適航標(biāo)準(zhǔn)制定提供依據(jù)。近年來，該項目取得了穩(wěn)步進展，有望開啟一個全新的商業(yè)飛行時代。

較強的聲爆會給地面帶來巨大的傷害，超聲速客機在陸地上空的飛行一直面臨著嚴(yán)重的法律障礙，如何削弱超聲速飛機巡航時的聲爆強度，從而使其滿足適航要求，一直是超聲速客機研發(fā)所面臨的重要難題。在此背景下，美國國家航空航天局（NASA）的低聲爆飛行驗證機（LBFD）項目應(yīng)運而生。該項目的總體目標(biāo)是通過一架驗證機——即X-59靜音超聲速技術(shù)（QueSST）驗證機，來測試和驗證降低聲爆技術(shù)，確保飛機在巡航飛行期間的可感噪聲不超過75dB，并建立一個地面社區(qū)對超聲速飛行的反應(yīng)數(shù)據(jù)庫，為美國聯(lián)邦航空局（FAA）和國際民航組織（ICAO）在2025年制定超聲速飛行噪聲標(biāo)準(zhǔn)提供參考和依據(jù)。2017年，NASA啟動新航空地平線（NAH）計劃，打算在未來10年內(nèi)設(shè)計建造一系列飛行驗證機——即X系列飛機（X-Planes），來加速先進綠色航空技術(shù)的應(yīng)用。2018年10月30日，LBFD項目成功達到關(guān)鍵決策點（KDP），正式獲準(zhǔn)進入研制階段。

項目目標(biāo)與分工

X-59驗證機及其項目分工

在低聲爆飛行驗證機項目下，將制造X-59驗證機，并證明其雖然會制造聲波“重?fù)簟钡⒉粫纬蓯廊说穆暠?，以便為民用超聲速陸上飛行鋪平道路。項目的具體技術(shù)目標(biāo)如下：設(shè)計、制造并測試一架具有低聲爆特性的驗證機，并證明該特性能為社區(qū)所接受，可應(yīng)用到未來的民用超聲速客機；證明X-59 QueSST能夠產(chǎn)生一系列可預(yù)測的聲爆信號，該信號將有助于低聲爆設(shè)計工具的驗證，并提高人們對大氣中的低聲爆信號影響的理解和預(yù)測；交付能夠成功飛行的X-59 QueSST，以收集社區(qū)響應(yīng)數(shù)據(jù)，幫助監(jiān)管機構(gòu)制定基于噪聲影響的民用超聲速陸上飛行標(biāo)準(zhǔn)。

低聲爆飛行驗證機項目主要在NASA的先進飛行器計劃（AAVP）和綜合航空系統(tǒng)計劃（IASP）中組織進行，并由一個系統(tǒng)項目辦公室管理。該辦公室的成員跨越兩個計劃，來自NASA的弗吉尼亞州的蘭利研究中心、俄亥俄州的格倫研究中心、加利福尼亞州的艾姆斯研究中心和阿姆斯特朗飛行研究中心等4個航空研究中心。

項目階段劃分

根據(jù)NASA 的計劃，該項目主要分為4 個階段進行。

第一階段（2018—2022年）主要進行飛行器的開發(fā)。在這個階段，X-59驗證機將通過一系列的飛行活動以測試其性能，這些飛行“擴展”了它的操作范圍，通過一種“先爬后跑”的方法，從亞聲速飛行逐漸過渡到最終的超聲速飛行。該階段也被稱為包線擴展階段，將在加利福尼亞州愛德華空軍基地的R-2508綜合大樓內(nèi)進行。當(dāng)這些飛行測試成功后，NASA將正式從洛克希德-馬?。羼R）公司接收飛機。

第二階段（2022—2023年春季）將會在不同飛行條件和大氣條件下對X-59驗證機的近場、中場、遠場和地面的表現(xiàn)進行聲學(xué)性能驗證測試，以檢驗該機所采用的低聲爆技術(shù)的有效性，并掌握該機聲爆的基本特征。第二階段主要分3個步驟進行：2A階段進行近場和中場的飛行測試，主要收集X-59產(chǎn)生的聲波沖擊樣本，并驗證其是否與預(yù)測相符；2B階段主要進行遠場和地面數(shù)據(jù)測量，在地面?zhèn)鞲衅骱望溈孙L(fēng)陣列進行地面數(shù)據(jù)收集，遠場飛行使用TG-14進行數(shù)據(jù)收集；2C階段將在陽光照射背景下采用紋影成像（schlieren imaging）技術(shù)，通過另一架飛機對處于超聲速飛行狀態(tài)的X-59進行跟蹤拍照，以觀測后者機體各處激波的形狀和位置，以捕捉并評價X-59產(chǎn)生的噪聲信號。

第三階段的工作將于2023—2025年進行，該階段將進行長時間的公眾反應(yīng)測試，通過民眾對X-59在本地區(qū)上空超聲速飛行的實際反應(yīng)來評估該機的聲爆削減效果。NASA計劃將于2023年開始選定測試時飛越的城市，并在兩年的時間內(nèi)進行多次部署，收集社區(qū)對超聲速飛行的反應(yīng)數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行分析和簡化，開發(fā)一個低聲爆社區(qū)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫，并將這些數(shù)據(jù)提交給FAA和ICAO的航空環(huán)境保護委員會（CAEP），以供其制定和修改商用飛機陸上超聲速飛行的相關(guān)適航法規(guī)，促進超聲速陸地飛行的發(fā)展；第四階段將于2026年進行，當(dāng)?shù)吐暠菔掘炞C機項目結(jié)束后，將對收集到的數(shù)據(jù)進行全面的分析，并評估美國各個社區(qū)的不同人群對該低聲爆技術(shù)的接受程度，從而為超聲速客機陸上飛行掃清道路。

項目進展

X-59驗證機進展

該項目于2017年8月由NASA首次公布，目前仍處于第一階段——即X-59驗證機的研發(fā)階段。項目招標(biāo)以來，只有洛馬公司提交了正式投標(biāo)書，洛馬公司選擇利用現(xiàn)有的系統(tǒng)來建造飛機，這些系統(tǒng)取自諾斯羅普-格魯門（諾格）公司的T-38“禽爪”超聲速中級教練機和波音公司的F/A-18E/F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機，不僅加速了飛行單元的制造，還控制了開發(fā)成本。NASA公布的信息表明，X-59整體長約29.3m，翼展長約9m，盡管尺寸上比未來的超聲速客機要小，但會產(chǎn)生相似的聲爆信號。飛機整體形狀光滑纖細，帶有一個尖尖的鴨嘴狀頭錐，主體呈現(xiàn)三角翼，并帶有一個獨特的尾翼布局。飛機整體采用“三翼面”設(shè)計，三角翼主體位于機體中部的正后方，鴨翼向前，傳統(tǒng)的尾翼安裝在尾部。除此之外，還有一組更小的水平尾翼位于單個垂直尾翼的頂部，類似許多軍民用飛機采用的“多點尾翼”。X-59前后機體上表面都有隆起的鼓包，用于消除超聲速飛行時引起的激波，不過飛行員的視線也因此受到了限制。為了彌補該限制，飛機搭載了一個XVS顯示系統(tǒng)，包括一個帶有彩色圖像的頭戴式攝像機，能夠在關(guān)鍵的起飛和著陸動作中向飛行員傳遞態(tài)勢感知。X-59的速度將達到馬赫數(shù)（Ma）1.4，能夠在16700m的高空飛行。

該驗證機于2017年6月完成了初步設(shè)計評審，并于同年在風(fēng)洞中進行了低速測試，開始進行建造合同招標(biāo)。NASA于2018年4月向洛馬公司授予價值2.475億美元的研發(fā)合同，同年6月該機獲得美國空軍授予的X-59編號，正式成為著名的X系列驗證機家族成員。該機于2019年10月通過關(guān)鍵設(shè)計審查，2019年12月通過關(guān)鍵項目管理審查，2019年年底飛機基本成型。

驗證機發(fā)動機進展

X-59 最初計劃使用GE 航空集團的F404 發(fā)動機。由于該發(fā)動機也是NASA F/A-18 研究型飛機的動力，因此發(fā)動機備件和零件的儲備很充足，可以降低成本。但由于F/A-18 飛機由兩臺發(fā)動機驅(qū)動，而X-59 僅能容納一臺發(fā)動機，因此無法產(chǎn)生足夠的推力來實現(xiàn)X-59 的超聲速飛行目標(biāo)。

為解決上述問題，GE航空集團以為薩伯JAS 39E“鷹獅”戰(zhàn)斗機開發(fā)的F414單發(fā)版本為基礎(chǔ)，推出了既滿足X-59的推力需求又能滿足實際尺寸配置的獨特發(fā)動機設(shè)計F414-GE-100，該發(fā)動機長約為4m，直徑約為0.9m。該發(fā)動機的核心機與之前的型號非常相似，但是其運行方式和外部設(shè)計得到了升級：F414-GE-100是一種基于全新金屬材料的發(fā)動機，使用了新的控制系統(tǒng)軟件，使發(fā)動機和飛機能夠相互通信；并在新的地方添加了管道，使燃料可以從飛機流向發(fā)動機；另外，為了節(jié)省質(zhì)量和空間，F(xiàn)414-GE-100并沒有協(xié)助安裝的軌道硬件，需要依靠人手工將其引導(dǎo)到位。該發(fā)動機通過無分流器超聲速進氣方案進行吸氣：發(fā)動機置于機體后部，邊緣與現(xiàn)有機體輪廓相吻合，以保持空氣動力效率；進氣口在機體后部脊柱的上方，機體末端有一個傳統(tǒng)的排氣環(huán)，因此幾乎不需要管道系統(tǒng)就可以使空氣通過該裝置。作為制造過程的一部分，該發(fā)動機已經(jīng)在馬薩諸塞州的試驗臺上成功運行超過8h，以證明它能夠支持X-59的飛行方式；另外，該發(fā)動機在GE航空集團的林恩測試工廠進行了試驗，證明它可以實現(xiàn)加力燃燒室的長時間使用，其他設(shè)計升級也都能按預(yù)期目標(biāo)工作。

F414-GE-100發(fā)動機

雖然今年的新冠肺炎疫情帶來了額外的挑戰(zhàn)，但在美國軍方的支持下，GE航空集團仍將諸多資源集中在該項目上。今年8月，GE航空集團向NASA交付了兩臺F414-GE-100，其中一臺為備用發(fā)動機。該發(fā)動機目前位于美國加利福尼亞州愛德華空軍基地的阿姆斯特朗飛行研究中心作進一步檢查，隨后將運往美國棕櫚谷與飛機進行總裝。發(fā)動機的成功交付是該項目的一個里程碑。

項目管理特點和存在的問題

低聲爆飛行驗證機項目是NASA航空研究任務(wù)事務(wù)部（ARMD）管理的第一個重大開發(fā)項目，其全生命周期成本高達5.83億美元。為此，LBFD項目管理層采取了一系列的措施，為項目發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。在采購策略上，盡管NASA已經(jīng)與洛馬公司就驗證機的初步設(shè)計簽訂了合同，但NASA規(guī)定在下一階段的投標(biāo)人既可以使用洛馬公司的初步設(shè)計，也可以提出自已的設(shè)計以滿足性能要求，以此保證所有投標(biāo)人都有公平的競爭機會。另外，為了節(jié)約成本，NASA將提供超出預(yù)期之外的設(shè)備、零件和系統(tǒng)，供承包商在合同期間使用。根據(jù)合同，NASA將提供發(fā)動機、彈射座椅、座艙蓋系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、飛行測試儀器系統(tǒng)、配電系統(tǒng)，以及閥門、作動器和開關(guān)等658個部件，以降低采購成本，縮短交付周期。

進度問題

在NASA批準(zhǔn)的LBFD項目計劃表中，該項目承諾在2023年10月完成第二階段的聲學(xué)驗證，并為此預(yù)留了13個月的時間，以應(yīng)對突發(fā)事件。截至2020年2月，該項目已經(jīng)消耗了其中的兩個月：由于美國政 府 在2018年12月 到2019年1月的“停擺”消耗了5周的時間儲備，并影響了關(guān)鍵設(shè)計審查（CDR）、關(guān)鍵決策點D（KDP-D）以及飛行準(zhǔn)備審查等關(guān)鍵節(jié)點，這一延誤的相關(guān)成本影響為540萬美元；此外，NASA將地面載荷試驗地點從加利福尼亞州的棕櫚谷重新分配到得克薩斯州的沃思堡，以保證試驗的質(zhì)量和監(jiān)督效果，消耗了3周的時間儲備；最后，在2020年3月，為應(yīng)對新冠肺炎疫情，NASA開始強制性遠程辦公并限制出差計劃，因此盡管洛馬公司仍在堅持工作，但NASA的監(jiān)督和檢查作用幾乎形同虛設(shè)。目前，疫情對項目成本和進度的長期影響尚不明確。

成本控制問題

設(shè)計、制造和測試LBFD驗證機的最初總合同價值為2.47億美元。截至2020年2月，洛馬公司估計完工成本為2.84億美元，成本增加了15%，并且該成本并未完全考慮所有潛在的風(fēng)險。另外，由于遇到制造問題，如供應(yīng)商交貨延遲和零件質(zhì)量差等，洛馬公司將首飛時間從2021年4月改至2021年8月。經(jīng)分析，合同成本的增加和進度的延遲主要由于洛馬公司無法及時雇用合格的技術(shù)人員以及分包商延遲交付零件造成的，這也是航空航天行業(yè)普遍存在的問題。例如，由于缺少所需的壓力分析人員，以及難以找到合格的分包商，使飛行試驗儀器系統(tǒng)的工程圖樣的發(fā)布和零件交付延遲。這些關(guān)鍵工程技術(shù)人員的短缺使后期的設(shè)計和采購需要更高的成本和更長的周期。

為此，洛馬公司正在開展一項“回歸綠色”的活動，采取包括增加生產(chǎn)班次等一系列措施，試圖彌補該項目在時間和成本上的損失。然而，LBFD項目管理人員表示，雖然這些努力取得了一些進展，但恢復(fù)計劃沒有產(chǎn)生預(yù)期的效果。因此，LBFD項目管理層增加了與洛馬公司領(lǐng)導(dǎo)層的溝通，以確保LBFD項目仍然是重中之重，并試圖更清楚地了解問題的根本原因以及承包商的應(yīng)對策略。

結(jié)束語

LBFD項目是NASA多年來在低聲爆技術(shù)領(lǐng)域研究成果的集成，NASA將通過X-59驗證機來驗證各種可用于未來新一代超聲速客機的低聲爆關(guān)鍵技術(shù)，并獲得相關(guān)適航部門的認(rèn)可批準(zhǔn)，從而加速其實用化進程，并使其具備足夠的市場競爭力。該項目將為全世界飛機制造商和航空公司打開一個巨大的新市場，并有助于建立更快的貿(mào)易航線，創(chuàng)造更多的工作機會，其未來前景值得進一步關(guān)注和期待。