董幗雄

在人類(lèi)追求飛行速度的歷程中，“協(xié)和”號(hào)飛機(jī)是一個(gè)繞不開(kāi)的話(huà)題。在2019年的英國(guó)紋身節(jié)航展上，法國(guó)“巡邏兵”飛行表演隊(duì)還專(zhuān)門(mén)在空中擺出了“協(xié)和”號(hào)的標(biāo)識(shí)，以紀(jì)念“協(xié)和”號(hào)首飛50周年。盡管從商業(yè)運(yùn)營(yíng)的角度看，“協(xié)和”號(hào)并不是一款成功的產(chǎn)品，但就當(dāng)時(shí)的技術(shù)來(lái)看，它卻是人類(lèi)追求速度巔峰的極限之作。

回顧商用飛機(jī)的發(fā)展歷程，從誕生之初的飛行時(shí)速不足百米，到20世紀(jì)50年代波音707的問(wèn)世將飛行的速度帶入高亞聲速時(shí)代。盡管此后曾出現(xiàn)過(guò)圖-144、“協(xié)和”號(hào)等超聲速飛機(jī)，卻都是“技術(shù)成功、商業(yè)失敗”的產(chǎn)物，商用飛機(jī)的飛行速度一直未有質(zhì)的飛越。但即便如此，人類(lèi)對(duì)于速度的渴望從未停止，尤其是隨著新技術(shù)日新月異的發(fā)展，航空業(yè)對(duì)于超聲速客機(jī)的研制熱情也與日俱增，以美國(guó)、歐洲和俄羅斯為代表的國(guó)家都在加速超聲速客機(jī)的研制。

美國(guó)，步步為營(yíng)的戰(zhàn)略

作為傳統(tǒng)的航空強(qiáng)國(guó)，美國(guó)事實(shí)上從未徹底中斷過(guò)對(duì)超聲速客機(jī)的研制。在美國(guó)大到美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA），小到規(guī)模只有幾十人的初創(chuàng)公司都在進(jìn)行超聲速客機(jī)的相關(guān)技術(shù)研究工作。盡管項(xiàng)目眾多，但從總體來(lái)看，美國(guó)改變了過(guò)去想要“一步到位”在性能上全面超越“協(xié)和”號(hào)的想法，而是有針對(duì)性地從小到大（公務(wù)機(jī)-小型客機(jī)-大型客機(jī)）、從慢到快（Ma1.6～1.8-Ma2-更快）、由近到遠(yuǎn)（航程跨大西洋-航程跨太平洋）進(jìn)行系列化發(fā)展。從產(chǎn)品研制進(jìn)度來(lái)看，已有幾款產(chǎn)品初現(xiàn)端倪。

阿爾利昂（Aerion）公司的AS系列公務(wù)機(jī)是受關(guān)注度最高的產(chǎn)品。其中，AS2超聲速公務(wù)機(jī)是該公司在“超聲速?lài)姎夤珓?wù)機(jī)”（SBJ）方案基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展而來(lái)的，飛行速度可達(dá)Ma1.4，并安裝了GE公司為其量身定制的Affinity渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。2020年9月，阿爾利昂公司開(kāi)始對(duì)AS2公務(wù)機(jī)進(jìn)行高速風(fēng)洞試驗(yàn)，這也標(biāo)志著該項(xiàng)目朝著2021年實(shí)現(xiàn)初步設(shè)計(jì)評(píng)審邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

AS2項(xiàng)目被業(yè)界看好的一個(gè)重要的原因是，除了GE之外，還有很多傳統(tǒng)商用飛機(jī)的核心供應(yīng)商也出現(xiàn)在了AS2項(xiàng)目的供應(yīng)商名單中。如柯林斯公司將負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)AS2超聲速公務(wù)機(jī)前緣襟翼、升降副翼、水平穩(wěn)定器和方向舵的作動(dòng)系統(tǒng);BAE系統(tǒng)公司將為AS2項(xiàng)目提供飛行控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)將包括主動(dòng)接收器、主飛行控制計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器控制元件和遠(yuǎn)程電子元件;羅森航空將為AS2項(xiàng)目開(kāi)發(fā)新型客艙管理與技術(shù)系統(tǒng)。除此之外，波音也參與了AS2項(xiàng)目，為該項(xiàng)目提供財(cái)務(wù)、飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、試飛等方面的資源。

值得一提的是，在AS2項(xiàng)目中也有中國(guó)企業(yè)的身影。目前，阿爾利昂公司已經(jīng)與中國(guó)亞飛太平洋公司簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，以支持其在亞太地區(qū)的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)工作，并將運(yùn)營(yíng)其AS2超聲速公務(wù)機(jī)。如果進(jìn)展順利的話(huà)，首批AS2超聲速公務(wù)機(jī)將在2023年投產(chǎn)，投產(chǎn)后前10年的產(chǎn)量預(yù)計(jì)在300架。

當(dāng)然，阿爾利昂公司對(duì)于速度的追求并不會(huì)止步于AS2。2021年4月，公司宣布將在AS2的基礎(chǔ)上，研發(fā)一款速度可達(dá)到Ma4的超聲速客機(jī)AS3，并且能夠?qū)崿F(xiàn)跨太平洋飛行。公司表示，目前正在收集潛在客戶(hù)的需求和意見(jiàn)，預(yù)計(jì)飛機(jī)的最大航程可達(dá)到13000公里，最大載客量50人。同時(shí)，阿爾利昂公司還表示，在AS3項(xiàng)目中，將繼續(xù)與NASA進(jìn)行合作。

近年來(lái)，NASA對(duì)于超聲速飛機(jī)的研制正在從技術(shù)研究向潛在的商業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)移。在AS3項(xiàng)目中，NASA將重點(diǎn)研究在亞高超聲速M(fèi)a3～5速度范圍內(nèi)的飛機(jī)推進(jìn)和熱管理技術(shù)。根據(jù)NASA與公司簽署的合作協(xié)議，雙方將通過(guò)技術(shù)合作來(lái)評(píng)估推進(jìn)和熱管理技術(shù)的參數(shù)適用性。通過(guò)聯(lián)合評(píng)估，將探索速度Ma3.0以上的影響，并為集成發(fā)電和客艙系統(tǒng)方面的支持技術(shù)建立解決方案。

另一款在速度上與AS3有得一拼的是Hermeus公司公布的Ma5.0級(jí)高超聲速民用飛機(jī)研發(fā)項(xiàng)目。盡管公司還未正式公布這一項(xiàng)目的名稱(chēng)，但其已經(jīng)明確了相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)：最大巡航速度Ma5.0、載客數(shù)20人左右、最大航程7400公里。

在公司發(fā)布的概念圖中可以看到，這款飛機(jī)采用了大后掠三角翼、無(wú)平尾加雙垂尾布局，其中三角翼在翼尖部分采用了可彎折變體翼尖設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)速度要達(dá)到Ma5.0，因此Hermeus公司將為這款飛機(jī)采用由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合而成的渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。這種設(shè)計(jì)可以讓飛機(jī)像普通飛機(jī)一樣在亞聲速渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下從普通機(jī)場(chǎng)起飛，然后在飛行中間段可以切換到?jīng)_壓噴氣模式加速到高超聲速，最后返回到渦噴模式減速著陸，從而可以在起降過(guò)程中無(wú)需借助專(zhuān)門(mén)的基礎(chǔ)設(shè)施。Hermeus公司表示，盡管這種組合式發(fā)動(dòng)機(jī)研制難度較大，但公司已經(jīng)成功完成了縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證試驗(yàn)，為項(xiàng)目的后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

歐洲，從未放棄的夢(mèng)想

2003年，“協(xié)和”號(hào)飛機(jī)正式退出商業(yè)運(yùn)營(yíng)，但歐洲各國(guó)卻從未間斷過(guò)探討一個(gè)問(wèn)題，那就是該研發(fā)一款怎樣的產(chǎn)品，使其成為“協(xié)和”號(hào)的繼任者。為了得到答案，歐洲各國(guó)一直在進(jìn)行探索。

最初，歐洲航空業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)空客在2005年提出過(guò)這樣一種方案，即推出一款載客數(shù)在250人左右、最大速度2400公里/小時(shí)、最大航程9600公里的大型超聲速客機(jī)的方案，但最終這一方案未能付諸行動(dòng)。隨后，歐洲又陸續(xù)推出了多個(gè)超聲速飛行器的研究方案，這些方案所帶動(dòng)的技術(shù)研究為后來(lái)歐洲多個(gè)超聲速飛機(jī)項(xiàng)目的研制奠定了基礎(chǔ)。

其中，關(guān)注度較高的是2011年由EADS集團(tuán)發(fā)布的巡航速度達(dá)到Ma4.0、巡航高度達(dá)到32000米的零排放近高超聲速運(yùn)輸機(jī)（ZEHST）項(xiàng)目。該方案中，這款超聲速飛機(jī)可以在不同飛行階段采用3種不同類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)還可以采用新型生物燃料來(lái)減少二氧化碳的排放。根據(jù)計(jì)劃，ZEHST將在2021年前后開(kāi)始技術(shù)驗(yàn)證。

另一款明星產(chǎn)品則是英國(guó)Hypermach公司推出的“聲速星”（SonicStar）超聲速?lài)姎夤珓?wù)機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)，這款公務(wù)機(jī)的最大飛行速度可達(dá)Ma3.6。這款產(chǎn)品最大的亮點(diǎn)包括采用了可削減超聲速飛行時(shí)聲爆強(qiáng)度并降低氣動(dòng)阻力的等離子體氣動(dòng)控制技術(shù)，以及電動(dòng)-燃?xì)鉁u輪混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)計(jì)劃，這款超聲速公務(wù)機(jī)將在2021年年中左右首飛，2025年左右投入市場(chǎng)。

除此之外，為了在速度上不輸老對(duì)手美國(guó)，歐洲還在“地平線(xiàn)2020”計(jì)劃的資助下啟動(dòng)了名為“高速推進(jìn)概念的平流層飛行應(yīng)用”（StratoFly）項(xiàng)目，該項(xiàng)目的遠(yuǎn)景目標(biāo)是在2035年前將300座級(jí)高超聲速民用飛機(jī)的技術(shù)成熟度等級(jí)提高到6，并開(kāi)始進(jìn)行Ma8.0的飛機(jī)方案的風(fēng)洞試驗(yàn)。

值得一提的是，StratoFly項(xiàng)目中，歐洲不僅僅關(guān)注飛行的速度，更關(guān)注環(huán)保的問(wèn)題。在該項(xiàng)目中，歐洲計(jì)劃采用液氫燃料替代傳統(tǒng)的航空燃油，這也恰恰符合歐洲當(dāng)前的氫能源計(jì)劃。根據(jù)歐洲的計(jì)劃，該項(xiàng)目不僅可以實(shí)現(xiàn)3小時(shí)從歐洲飛至澳大利亞，同時(shí)每客公里的二氧化碳排放量將降低75%～100%，氮氧化物排放量降低90%。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，StratoFly項(xiàng)目從起飛爬升到速度達(dá)到Ma4.5時(shí)，將采用6臺(tái)渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，速度超過(guò)Ma4.5后，將切換到雙模態(tài)亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，最終依靠超燃模態(tài)實(shí)現(xiàn)Ma8.0的速度。這一設(shè)計(jì)與SonicStar項(xiàng)目頗為相似。為此，StratoFly項(xiàng)目在德國(guó)宇航中心（DLR）的風(fēng)洞試驗(yàn)室完成了全機(jī)模擬的試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的氣動(dòng)熱力學(xué)特性。目前這一被歐洲寄予厚望的項(xiàng)目仍在穩(wěn)步推進(jìn)中。

俄羅斯與日本的奮進(jìn)

如果說(shuō)“協(xié)和”號(hào)是歐洲人的驕傲，那么圖-144則是俄羅斯的驕傲。在圖-144之后，俄羅斯仍在不斷地探索超聲速客機(jī)實(shí)現(xiàn)商用的可能，并曾一度推出過(guò)載客數(shù)300人、航程1萬(wàn)公里的圖-244 超聲速客機(jī)。但最后由于蘇聯(lián)解體，這一項(xiàng)目最終無(wú)疾而終。此后多年，動(dòng)蕩的政治局勢(shì)讓俄羅斯航空工業(yè)的發(fā)展一度倒退，直到普京政府上臺(tái)后才重新樹(shù)立了航空工業(yè)在俄羅斯工業(yè)發(fā)展中的地位。此后，俄羅斯也再次將超聲速飛機(jī)的發(fā)展擺上了議程。

與歐美國(guó)家不同，俄羅斯在發(fā)展超聲速客機(jī)時(shí)獨(dú)辟蹊徑，其正在探索將軍機(jī)改型超聲速公務(wù)機(jī)的可行性。例如，目前俄羅斯聯(lián)合航空制造集團(tuán)正以圖-160戰(zhàn)略轟炸機(jī)為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)25座的超聲速?lài)姎夤珓?wù)機(jī)。此外，俄羅斯還計(jì)劃以米格-29為集成，研制新一代超聲速民用飛機(jī)的原型機(jī)，并設(shè)計(jì)飛機(jī)的飛行速度可達(dá)到Ma2.0。為此，2020年6月，俄羅斯茹科夫斯基研究所與俄羅斯工業(yè)和貿(mào)易部簽訂了相關(guān)合同，將在今年年底前完成超聲速客機(jī)的概念設(shè)計(jì)。根據(jù)計(jì)劃，這款Ma2.0的超聲速公務(wù)機(jī)將采用降低音爆強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，起飛重量約為70噸，航程8000公里，載客數(shù)30人左右，預(yù)計(jì)2026年完成詳細(xì)設(shè)計(jì)。

除此之外，2020年9月，俄羅斯政府表示，為了更好地統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)超聲速飛機(jī)項(xiàng)目的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始著手籌建國(guó)家超聲速飛機(jī)研發(fā)中心。該中心旨在構(gòu)建先進(jìn)的低音爆超聲速飛機(jī)概念設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)庫(kù)，其中包括材料、強(qiáng)度、聲學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)效率、人工智能等十大核心技術(shù)，橫跨6個(gè)先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)俄羅斯政府的規(guī)劃，研發(fā)中心將著重解決未來(lái)超聲速飛行領(lǐng)域棘手的技術(shù)難題，從而實(shí)現(xiàn)低聲爆超聲速飛機(jī)在總體技術(shù)、機(jī)上駕駛艙裝備等方面的創(chuàng)新。目前俄羅斯政府已經(jīng)組織多個(gè)機(jī)構(gòu)共同籌備研發(fā)中心的組建工作，主要機(jī)構(gòu)包括GosNIIAS航空系統(tǒng)中心、Gromov飛行測(cè)試中心和Baranov飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所等。為了支持該中心的研發(fā)工作，俄羅斯政府計(jì)劃在2020年～2024年間向該中心撥款155億盧布（約2.05億美元），政府支持力度可見(jiàn)一斑。

一直以來(lái)，日本也是超聲速飛機(jī)的擁躉。1997年至2006年的十年間，日本航宇研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）支持了“國(guó)家超聲速運(yùn)輸機(jī)驗(yàn)證”計(jì)劃（NEXST），之后隨著公眾對(duì)于環(huán)保的關(guān)注度越來(lái)越高，日本又啟動(dòng)了后續(xù)的“靜音超聲速技術(shù)論證”（S3TD）計(jì)劃。

在這兩項(xiàng)計(jì)劃中，JAXA以無(wú)人機(jī)為空中試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)超聲速減阻、氣動(dòng)外形優(yōu)化、復(fù)合材料、飛控系統(tǒng)、動(dòng)力裝置等技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，其目的是使飛行器具備低聲爆、低噪音、低排放、超聲速巡航飛行能力，從而促進(jìn)新一代超聲速飛機(jī)的研制。

除了本國(guó)的科研機(jī)構(gòu)積極進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)之外，日本還與美國(guó)合作進(jìn)行了超聲速客機(jī)核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作。如日本航空公司就與知名的初創(chuàng)公司BOOM合作，共同進(jìn)行50座超聲速客機(jī)的研發(fā)，并獲得了20架飛機(jī)的優(yōu)先訂購(gòu)權(quán)。

在與BOOM的合作中，JAXA早前的研發(fā)成果也將擁有用武之地。在BOOM的多個(gè)超聲速項(xiàng)目中，將使用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行室外噪聲測(cè)量試驗(yàn)，以驗(yàn)證JAXA早前持有專(zhuān)利的可變低噪聲噴嘴的效果。此外，為了提高對(duì)起降噪聲有巨大影響的低速空氣動(dòng)力性能，JAXA還推進(jìn)了增升裝置最佳設(shè)計(jì)技術(shù)的研發(fā)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了一系列通過(guò)襟翼提高效能的方法。此外，日本還充分利用了其在復(fù)合材料研發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，為BOOM公司的超聲速飛機(jī)研發(fā)了增加復(fù)合材料配向角和板厚自由度的最佳設(shè)計(jì)工具，從而實(shí)現(xiàn)為飛機(jī)的主翼提供復(fù)合材料的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

在擁有了海外項(xiàng)目的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)與進(jìn)一步的技術(shù)積累之后，JAXA提出了一種高升阻比、低噪聲、巡航速度Ma2.0、載客量200～300人、航程11000公里的超聲速飛機(jī)方案。如今，在完成了早前的技術(shù)積累之后，日本提出的這一設(shè)計(jì)方案比“協(xié)和”號(hào)飛機(jī)的聲爆強(qiáng)度降低50%、噪聲降至1/10、氮氧化物排放降至1/4，更難能可貴的是預(yù)計(jì)運(yùn)營(yíng)成本也僅為當(dāng)前波音747飛機(jī)的1.3倍。根據(jù)計(jì)劃，這款被譽(yù)為“集大成者”的產(chǎn)品原型機(jī)將在2021年正式對(duì)外公布。一步一個(gè)腳印踏實(shí)在超聲速飛機(jī)領(lǐng)域耕耘的日本，未來(lái)是否能在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車(chē)，頗為令人期待。