文/ 陳玉潔（中國航發(fā)渦輪院）

Boom超聲速公司研制的“序曲”公務機預計將搭載65～80名乘客，飛行速度將是目前民用客機的兩倍，并將使用100%的可持續(xù)航空燃料，這將開啟航空旅行的未來。不知道會有多少人愿意花5000美元（或等價的里程）來體驗一趟這樣的超聲速之旅呢？

在今年的范堡羅航展上，Boom超聲速公司就宣布了其在可持續(xù)超聲速飛行道路上的重要里程碑。自“協(xié)和號”客機在范堡羅首次亮相51年后，經(jīng)過2600萬個小時的模擬軟件設計、5次風洞試驗、51次全設計迭代的評估，Boom宣布在超聲速客機的經(jīng)濟性和環(huán)境上可持續(xù)性方面取得了重大進展，生產(chǎn)型“序曲”（Overture）客機得以面世。據(jù)悉，“序曲”飛機將于2024年投產(chǎn)，2026年開始試飛，2029年搭載第一批乘客。

Boom公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官布萊克·斯科爾表示，“序曲”旨在滿足嚴格的安全和可持續(xù)性要求，同時使數(shù)千萬乘客在全球的600多條航線中能夠更高效地旅行。Boom還正在整合當今的規(guī)章制度和行業(yè)期望，并推動民用超聲速飛機從供應鏈到生產(chǎn)和安全性要求的全方位躍進。

性能特征

Boom在空氣動力學、降噪和整體性能等方面進行了一些創(chuàng)新，“序曲”的新構型主要有以下特點：

● 配裝4臺發(fā)動機：4臺安裝在機翼上的發(fā)動機，使飛機能夠以Ma1.7的飛行速度在大洋上空進行巡航，以接近Ma1的飛行速度進行陸上巡航。4臺發(fā)動機在設計上降低了噪聲，同時也降低了航空公司的運營成本。此外，發(fā)動機的位置也符合最嚴格的乘客安全要求。

● 工作更安靜：在起飛時，“序曲”將使用先進的自動降噪系統(tǒng)。飛機在沒有打開加力燃燒的情況下飛行時，能達到與最新的亞聲速飛機相同的噪聲水平。這些降噪工作將提高乘客舒適度，減少對機場社區(qū)的影響。

● 機身外形：根據(jù)面積律，“序曲”的機身朝前部直徑較大、朝后部直徑較小。在超聲速時，這種設計可以減小阻力、最大限度地提高燃油效率。

● 海鷗翼：采用海鷗翼構型是為了提高飛機的超聲速性能，并改善亞聲速和跨聲速操縱性能。重要的是，這種構型也有助于確保飛機在任何速度下的安全性和穩(wěn)定性。

● 碳復合材料結構： “序曲”大量采用了碳纖維復合材料，以高度復雜的曲率加工碳纖維復合材料有助于提高飛機的氣動效率，比傳統(tǒng)金屬結構更輕、強度更高、熱穩(wěn)定性更好。

● 凈零碳：從一開始，“序曲”的研制目標就定為凈零碳，以100%可持續(xù)航空燃料（SAF）飛行，可持續(xù)性理念貫穿了設計—生產(chǎn)—飛行和全生命周期循環(huán)的所有環(huán)節(jié)。

Overture 超聲速客機參數(shù)

頂級供應商

柯林斯公司協(xié)助Boom評估和開發(fā)了“序曲”的主要飛機系統(tǒng)和部件。雙方工程師共同進行空氣動力學分析；評估除冰系統(tǒng)，以及外場性能和航程要求的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)體系結構；雙方還合作開發(fā)了進氣道、噴管和排氣系統(tǒng)技術，以促進“序曲”的凈零碳工作。兩家公司已合作多年，在改進“序曲”的推進系統(tǒng)性能、將飛機噪聲最小化方面取得了成果。

伊頓公司和Boom正在開發(fā)未來的燃料分配、測量和惰化系統(tǒng)。伊頓公司是深耕軍用和商用航空燃油系統(tǒng)領域的公司，為“序曲”發(fā)動機的供油率、加油和放油、排氣、基本和應急重心控制以及泵性能在內(nèi)的系統(tǒng)分析方案提供專業(yè)技術支持。

賽峰著陸系統(tǒng)公司是首次和Boom合作，技術團隊專注于結合最新技術，開發(fā)了“序曲”的著陸系統(tǒng)，以提高飛機安全性、優(yōu)化重量、降低飛機噪聲。

“序曲”超聲速客機性能指標

巡 航 速 度 超聲速巡航：Ma 1.7，亞聲速巡航：Ma 0.94

航 程（ 滿 載） 4250n mile（7870km）

搭 載 乘 客 65～80人

外 形 尺 寸 機長：61.26m，機高：10.97m，翼展：32.31m

內(nèi) 部 尺 寸 內(nèi)艙長：24.08m，過道高度：1.98m

機體 復合材料機身及機翼

機翼 前緣和后緣數(shù)字式襟翼控制的海鷗形

飛 行 控 制 2個LRU（現(xiàn)場可更換單元），4×冗余數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)

動 力 裝 置 4臺中等涵道比、兼容100%SAF的渦扇發(fā)動機

機場社區(qū)噪聲 滿足ICAO第14章/FAA第5等級要求

試驗和制造

Boom在美國科羅拉多州新建了“鐵鳥”試驗臺，設施面積達到6500平方米，將容納系統(tǒng)集成實驗室（SIL），其中包括“序曲”的首個全尺寸試驗模型— “鐵鳥”試驗模型和功能齊全的駕駛艙模擬器。該公司將在“鐵鳥”試驗臺上對所有關鍵系統(tǒng)進行試驗和驗證，以確保飛機的安全性。

試驗模型也被稱為“鐵鳥”，是一個鋼結構的形狀粗糙的飛機，大約長60m、寬30m，用于測試和集成“序曲”飛行器的飛行部件和系統(tǒng)、軟件和硬件。試驗臺還將配備一個客艙模型和一個虛擬可視化室，該虛擬可視化室采用虛擬和增強現(xiàn)實程序的獨特組合，以輔助實現(xiàn)遠程設計。

“序曲”超級工廠設在北卡羅來納州格林斯博羅的皮德蒙特三角區(qū)國際機場，這是Boom的首個全尺寸制造工廠。超級工廠將是一個現(xiàn)代化的制造設施，包括最終裝配線、測試設施和“序曲”的客戶交付中心，預計于2024年開始生產(chǎn)飛機。

動力系統(tǒng)

傳統(tǒng)上，發(fā)動機技術驅動飛機的設計，除非基于現(xiàn)有的或派生的推進系統(tǒng)，否則飛機機體的研制通常主要由動力裝置來決定。因此，發(fā)動機試驗通常在新機首飛前幾年就開始，特別是對于那些具有挑戰(zhàn)性性能要求的飛機。

Overture 超聲速客機商務艙概念圖

Boom試圖使“序曲”實現(xiàn)超聲速巡航，同時滿足嚴格的國際民航組織第14章/FAA第5等級起飛和著陸噪聲限制— 這是2020后進入服役的新客機必須要滿足的先決條件。Boom通過將巡航速度由Ma2.2降低到Ma1.7，并選擇更實用的4臺發(fā)動機構型，降低了噪聲，并減輕了對發(fā)動機要求的壓力。

Boom公司CEO解釋道，超聲速飛行需要大的核心機和更小的風扇，而“序曲”的核心機尺寸已經(jīng)達到目前的極限。Boom要關注的重點不是發(fā)動機技術上的突破，而是發(fā)動機工作模式的不同，這暗示著“序曲”設計極可能采用發(fā)動機衍生研制的方法。航展上公布的經(jīng)過重新設計的“序曲”概念圖也體現(xiàn)了這一點，發(fā)動機似乎包括固定幾何形狀的外部壓縮進氣道、延伸的噴管罩和塞式噴管，所有這些都將使現(xiàn)有渦扇發(fā)動機的適當改型能夠以超聲速運轉。

低阻力進氣道的設計包括一個環(huán)形外涵道，它將氣流以亞聲速的方式輸送到風扇的正面— 這是一個非常重要的操作特征。在這種情況下，“序曲”的進氣道包括一個等熵壓縮整流錐和一個亞聲速擴壓器，這兩者結合起來將進氣道的氣流從Ma1.7降低到Ma0.6左右，同時為有效地遠程巡航提供良好的恢復壓力。

概念圖顯示，除了后掠進口導流葉片外，喉部區(qū)域有一個外涵道分流器。這使氣流降為亞聲速，然后在收—擴通道中將其膨脹到超聲速，再從排氣通道排出。在低速時，這種旁通流可以提供噪聲屏蔽；在超聲速飛行中，外涵道將使低總壓氣流從進氣道整流罩唇口形成的激波中轉向，同時向風扇葉片的葉尖提供潔凈氣流。

該構型似乎與羅羅、灣流公司和NASA在2009—2010年靜聲超聲速飛機項目下研究的推進方案具有相同之處。該小型低聲爆飛機起飛推力級為68kN，配裝Tay發(fā)動機，設計巡航速度Ma1.6，飛行高度為13km。而相比之下，尺寸較大的“序曲”主要由輕質復合材料制成，類似的布局可能采用推力更高的BR700/Pearl系列的衍生型發(fā)動機。

Boom認為，能在2030年實現(xiàn)進入服役的目標，因為與研制全新的發(fā)動機相比，衍生型發(fā)動機研制成本和時間都大大減少。這種派生式的研制方法也可能使這個項目可選發(fā)動機范圍擴大，不只是較大尺寸的羅羅核心機，還包括普惠的PW800或GE的Passport。后者最近在龐巴迪的環(huán)球8000公務機的飛行試驗中，速度超過了Ma1。

Boom將在未來幾個月選定推進系統(tǒng)以及其他主要系統(tǒng)供應商。

未來發(fā)展

美國聯(lián)合航空公司已經(jīng)與Boom達成了商業(yè)協(xié)議，將采購“序曲”超聲速飛機。根據(jù)該協(xié)議的規(guī)定，一旦“序曲”滿足了聯(lián)合航空公司對安全性、運營和可持續(xù)性的要求，該公司將購買15架“序曲”客機，并可選擇再購買35架。為了在未來10年不讓聯(lián)合航空公司獨占高端客機的優(yōu)勢，其對手美國航空公司也訂購了60架“序曲”，其中20架為確認訂單，40架為可選。再加上2017年日本航空公司預訂的20架，Boom目前的總訂單量已達到130架，其中35架為確認訂單。

Concorde 協(xié)和式客機工程圖

“序曲”概念圖

2022年1月，Boom宣布與美國空軍簽署了為期3年的戰(zhàn)略合作協(xié)議，價值高達6000萬美元。協(xié)議隸屬于STRATFI項目，授予Boom的合同是該項目最大的投資之一，是對發(fā)展未來超聲速航空的重大投資，這也加快了“序曲”的研發(fā)。

2022年7月，在范堡羅航展上，Boom還宣布與諾斯羅普-格魯門公司達成了一項里程碑式的合作協(xié)議，以便為美國政府及盟友研發(fā)執(zhí)行特殊任務的飛機，開發(fā)了“序曲”向美國及其盟友提供高超聲速運輸能力的潛力。兩家公司將為“序曲”共同尋找新的使用場景，如開發(fā)“序曲”的軍用型，以支持需要快速反應的政府和軍事行動，包括快速反應監(jiān)視和偵察、指揮和控制以及流動和后勤任務，如緊急醫(yī)療和部隊運輸。

與上個世紀大名鼎鼎的 Concorde 協(xié)和式客機相比，“序曲”的超聲速巡航速度已經(jīng)降低，顯然是同時考慮了安全性和經(jīng)濟性。因此得到的結果是，“序曲”客機的一張紐約—倫敦往返機票價格目標設定在5000 美元；作為對比，相同航線 Concorde 協(xié)和式客機當初的票價高達20000 美元；后者的飛行時間僅比前者節(jié)省了大約半小時。

結束語

確認訂單表明，航空公司對超聲速飛行的興趣依舊濃厚，對“序曲”設計的成熟度也表示滿意。除了使超聲速飛行回歸商業(yè)航空外，Boom還與美國空軍和諾格公司合作，有意將“序曲”的應用擴大到軍事和國防方面。

盡管“序曲”的銷售業(yè)績不錯，但發(fā)動機的不確定性仍舊使業(yè)界持懷疑態(tài)度。畢竟，沒有發(fā)動機就沒有飛機。在Boom選定推進系統(tǒng)以及其他主要系統(tǒng)后，或許“序曲”的發(fā)展前景會更為明晰。