宋亞輝，樊高宇，瞿麗霞，張躍林，徐悅，韓碩

1.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)飛行試驗(yàn)技術(shù)研究所，西安 710089 2.中國(guó)航空研究院，北京 100012

超聲速飛行可顯著縮短航空器超長(zhǎng)距離航線飛行時(shí)間，促進(jìn)國(guó)際和洲際間人員交流，加速經(jīng)濟(jì)和信息全球化發(fā)展，因而越來(lái)越受到世界各航空大國(guó)的重視。然而，航空器超聲速飛行產(chǎn)生的激波與膨脹波系會(huì)誘發(fā)一系列環(huán)保性、安全性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題［1-2］。一方面，激波與膨脹波系會(huì)顯著增加飛行阻力，影響航空器的操縱性和穩(wěn)定性，降低飛行安全性和經(jīng)濟(jì)性。另一方面，激波系與膨脹波系在一定條件下可遠(yuǎn)距離傳播至地面而產(chǎn)生聲爆問(wèn)題，危害地面大范圍人群的聽(tīng)覺(jué)和心理。聲爆是民用航空器超聲速飛行面臨的主要障礙之一，國(guó)際民航組織（ICAO）多數(shù)成員國(guó)禁止民用航空器在大陸及其近海岸線區(qū)域上空超聲速飛行［3-5］。歷史上出現(xiàn)的超聲速民用飛機(jī)協(xié)和號(hào)Concorde 和Tu-144 因而被迫退出商業(yè)運(yùn)營(yíng)［4］，美國(guó)民用超聲速運(yùn)輸機(jī)B2707 甚至未進(jìn)行生產(chǎn)制造就被終止［6-7］。

盡管超聲速民用航空器發(fā)展充滿波折，但航空界對(duì)安全、綠色超聲速飛行技術(shù)的探索腳步從未停止。自20 世紀(jì)50 年代起，研究人員通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)認(rèn)識(shí)聲爆的物理特性及其危害［2，6-8］，持續(xù)開(kāi)展低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)研究［8-21］。近年來(lái)，美國(guó)、俄羅斯、日本和歐盟等的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量超聲速民用航空器技術(shù)研究［2，6-17］，致力于研發(fā)新一代超聲速民用航空器，取得了一定的進(jìn)展，美國(guó)、日本等的研究機(jī)構(gòu)指出，超聲速民用航空器有望在2030 年前后重新實(shí)現(xiàn)商用［10，18-20］。

飛行試驗(yàn)作為聲爆問(wèn)題最直接且不可或缺的研究與驗(yàn)證手段，與理論分析、數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)相輔相成，共同推進(jìn)了超聲速航空器技術(shù)的快速發(fā)展，其作用主要體現(xiàn)在：有助于全面深刻認(rèn)識(shí)聲爆現(xiàn)象，掌握聲爆產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律以及影響因素［8，22-34］；探索聲爆抑制方法，促進(jìn)低聲爆航空器技術(shù)的發(fā)展［8-21］；通過(guò)建立聲爆飛行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)聲爆理論分析和數(shù)值預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)和完善［21，27-31］；通過(guò)飛行試驗(yàn)開(kāi)展聲爆的主客觀評(píng)價(jià)方法研究，促進(jìn)適航管理機(jī)構(gòu)開(kāi)展新一代民用超聲速航空器聲爆適航標(biāo)準(zhǔn)的制定研究［13-16，22-25］；通過(guò)大量飛越居民區(qū)、海洋和特殊區(qū)域上空的聲爆飛行試驗(yàn)，研究聲爆對(duì)人類生產(chǎn)生活、動(dòng)植物、建筑物和海洋的影響，有益于解決聲爆帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題［6，8，22］。

聲爆飛行試驗(yàn)涉及多學(xué)科交叉融合，具有風(fēng)險(xiǎn)大、成本高和周期長(zhǎng)等特點(diǎn)［2，35］，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。世界各航空強(qiáng)國(guó)通過(guò)飛行試驗(yàn)技術(shù)的探索，建設(shè)了測(cè)量設(shè)備設(shè)施，形成了全傳播路徑（聲爆自研究對(duì)象周?chē)慕鼒?chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)地面的整個(gè)傳播路徑）的聲爆測(cè)量技術(shù)，推動(dòng)了飛行試驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善［6，26］。大量超聲速飛行技術(shù)研究項(xiàng)目均開(kāi)展了飛行試驗(yàn)，并以飛行試驗(yàn)的完成作為技術(shù)研究完成或成熟的標(biāo)志［2，6-8］。

基于聲爆飛行試驗(yàn)對(duì)新一代超聲速航空器設(shè)計(jì)研制的重要意義，本文對(duì)聲爆飛行試驗(yàn)的測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。首先，總結(jié)近70 年來(lái)的航空器聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)的研究進(jìn)展；然后，歸納聲爆飛行測(cè)量的技術(shù)方案，重點(diǎn)闡述全傳播路徑聲爆測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而論述聲爆測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)；最后，簡(jiǎn)略分析中國(guó)開(kāi)展航空器聲爆飛行試驗(yàn)面臨的技術(shù)問(wèn)題并提出相關(guān)建議。

1 航空器聲爆飛行試驗(yàn)研究概覽

自20 世紀(jì)50 年代起，世界各航空大國(guó)開(kāi)展了大量的聲爆飛行試驗(yàn)研究，具有代表性的項(xiàng)目匯總見(jiàn) 表1［13-16，21-24，32-34，36-61］。航空器聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)研究依據(jù)試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的不同，大體可分為聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)探索與數(shù)據(jù)積累（20世紀(jì)50—70 年代）、聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)完善與低聲爆技術(shù)探索（20 世紀(jì)80 年代—21 世紀(jì)初期）和低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)驗(yàn)證與適航取證飛行試驗(yàn)（21 世紀(jì)初之后）3 個(gè)典型階段。

表1 具有代表性的聲爆飛行試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Representative sonic boom flight test programs

1.1 聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)探索與數(shù)據(jù)積累

20 世紀(jì)50—70 年代，大量軍用超聲速飛機(jī)出現(xiàn)［2-8］，超聲速運(yùn)民用飛機(jī)協(xié)和號(hào)Concorde 和Tu-144 投入商用，美國(guó)Boeing 和NASA 也推出民用超聲速飛機(jī)研制計(jì)劃。軍用和民用航空器超聲速飛行的聲爆引發(fā)一系列社會(huì)問(wèn)題，聲爆問(wèn)題開(kāi)始受到強(qiáng)烈關(guān)注，掀起了聲爆飛行試驗(yàn)研究第一波熱潮。歐美航空強(qiáng)國(guó)對(duì)XB-70、B-58、F-100、F-104、F-106、SR-71、Concorde、Tu-144 和Mirage Ⅲ/Ⅳ等超聲速航空器進(jìn)行了從近場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)地面的聲爆測(cè)量［32-34，36-44，47，56］，代表性的項(xiàng)目包括NASA/EAFB 的 SBFT［32］、NSBEP［33-34］和PRSSBT［38-39］以及法國(guó)STA 的FOJC［40-41］等。通過(guò)大量飛行試驗(yàn)研究聲爆的產(chǎn)生及傳播特性，促進(jìn)了聲爆理論與計(jì)算工具的發(fā)展，在聲爆對(duì)人類生產(chǎn)生活、動(dòng)植物、建筑物和海洋等的影響研究方面取得了重要進(jìn)展，并促進(jìn)了聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展。

初步形成聲爆全傳播路徑飛行試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)方案［8，32-34，38-40］?？罩新暠瑴y(cè)量飛行平臺(tái)（Probe Airplane）多樣化發(fā)展，聲爆探針（In-Flight Sonic Boom Probe 或In-Flight Flow-Field Probe）開(kāi)始出現(xiàn)并應(yīng)用于空中聲爆測(cè)量［8，32］，大規(guī)模近地面/地面聲爆測(cè)量傳感器陣列得到了成功應(yīng)用［34，47］，大氣條件和飛行航跡測(cè)量成為飛行試驗(yàn)的必要組成部分，圖 1 為NASA/EAFB 的NSBEP 項(xiàng)目通過(guò)聲爆探針和地面?zhèn)鞲衅麝嚵袦y(cè)量XB-70 聲爆的技術(shù)方案示意圖［33-34］。但是，這一階段的聲爆飛行試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)存在設(shè)備自動(dòng)化水平低、測(cè)量精度差和集成度低等問(wèn)題［34，38-39］。

圖1 NASA/EAFB NSBEP 項(xiàng)目的聲爆測(cè)量方案［33-34］Fig.1 Sonic boom measurement arrangement of NASA/EAFB NSBEP ［33-34］

聲爆對(duì)人類影響的研究大量開(kāi)展［8，36-37，45］。最具代表性的是NASA 與EAFB 聯(lián)合開(kāi)展的一系列飛行試驗(yàn)項(xiàng)目［36-37］，通過(guò)軍用飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間有計(jì)劃地在EAFB 基地附近居民區(qū)產(chǎn)生不同強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的聲爆，探索主觀評(píng)價(jià)方法，通過(guò)飛行后的社會(huì)調(diào)查考察居民對(duì)聲爆的反應(yīng)。這一階段，通過(guò)飛行試驗(yàn)積累大量聲爆數(shù)據(jù)［8，27-28］，驗(yàn)證和 發(fā)展了 聲爆理 論和計(jì)算工具［8］，為超聲速航空器的聲爆預(yù)測(cè)與聲爆優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)的聲爆問(wèn)題研究具有深遠(yuǎn)影響。

1.2 聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)完善與低聲爆技術(shù)探索

20 世紀(jì)80 年代—21 世紀(jì)初期，盡管協(xié)和號(hào)Concorde 和Tu-144 退出了商業(yè)運(yùn)營(yíng)，但人們對(duì)民用超聲速飛行的追求并未停歇，開(kāi)展了大量的聲爆問(wèn)題研究。得益于航空技術(shù)快速發(fā)展以及公眾對(duì)安全性、環(huán)保性要求的提高，低聲爆技術(shù)更加受到重視。ICAO 和FAA 等適航審定機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了超聲速民用航空器聲爆適航標(biāo)準(zhǔn)的研究［16，54］。美國(guó)、歐洲、日本等提出了新一代民用超聲速航空器方案［5，17］，實(shí)施大量低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目。這一階段具有代表性的項(xiàng)目有美國(guó)空軍的 NSBIT［45］、NASA 的 SR-71 SBPE［48］、DARPA QSP-SSBD［49-51］、灣 流/NASA 的Quiet SpikeTM［5，52］、NASA/Wyle 的WSPR［53］與SCAMP［54-55］以及JAXA 的D-SEND#1［16］等。

聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)體系逐步完善，全傳播路徑聲爆測(cè)量技術(shù)取得突破性進(jìn)展［6-8，26，45-46，48-54］。研制了專用地面和空中聲爆測(cè)量系統(tǒng)，聲爆測(cè)量設(shè)備朝系統(tǒng)化和智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了聲爆、飛行狀態(tài)、飛行航跡和大氣條件等參數(shù)的空地一體化測(cè)量。飛行測(cè)量平臺(tái)攜帶的聲爆探針［5］和前支桿傳聲器［53-54］裝置的發(fā)展使得空中聲爆測(cè)量技術(shù)日臻成熟，NASA 基于YO-3A［48］、F-15B［50，52］、F-18［53］、TG-14［54-55］和系留飛艇［55，57］等航空器研制了多種空中聲爆測(cè)量平臺(tái)，JAXA 也基于飛艇平臺(tái)研發(fā)了空中聲爆測(cè)量系統(tǒng)ABMS（Aerial Boom Measurement System）［16］。圖 2（a）～圖 2（c）為聲爆測(cè)量新技術(shù)在試驗(yàn)中的應(yīng)用［16，53-54］。

通過(guò)飛行試驗(yàn)探索航空器設(shè)計(jì)參數(shù)和超聲速飛行參數(shù)對(duì)聲爆的影響，初步闡明氣動(dòng)外形、飛行狀態(tài)、飛行航跡和大氣條件等對(duì)聲爆的作用機(jī)制。如NASA/Wyle 等 的SCAMP［54-55］通過(guò)飛行試驗(yàn)進(jìn)行“聚焦聲爆”（Focus Sonic Boom）研究，探究機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)的聲爆產(chǎn)生及傳播演變特征。

一系列低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目被啟動(dòng)［49-52］?；谲姍C(jī)平臺(tái)進(jìn)行低聲爆優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研 究，DARPA 的QSP-SSBD［49-51］和灣流/NASA 的Quiet SpikeTM［5，52］通過(guò)飛行試驗(yàn)證實(shí)幾何修形和改變氣動(dòng)布局能夠顯著降低聲爆強(qiáng)度。超聲速民用航空器概念設(shè)計(jì)出現(xiàn)［62-63］，大量的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始投入新一代低聲爆航空器的研發(fā)并計(jì)劃開(kāi)展飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。為配合低聲爆航空器研發(fā)，開(kāi)展了大量的低聲爆主觀響應(yīng)研究［45-46，48，53］，探索人類可接受的聲爆強(qiáng)度極限值以及對(duì)低聲爆的容忍度，代表性項(xiàng)目有NASA/Wyle 的WSPR［53］。

持續(xù)開(kāi)展飛行試驗(yàn)進(jìn)行新的或改進(jìn)的聲爆預(yù)測(cè)方法和工具的驗(yàn)證［54-55，62，64］，并將聲爆預(yù)測(cè)工具應(yīng)用于飛行試驗(yàn)的設(shè)計(jì)。NASA Armstrong采用基于飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的聲爆實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)技術(shù)指導(dǎo)飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和執(zhí)行，開(kāi)發(fā)了可安裝在F-18 飛機(jī)座艙和地面監(jiān)控設(shè)施中的聲爆空間分布顯示軟硬件系統(tǒng)CISBoomDA［62］，如圖 2（d）所示。

圖2 1980—2010年形成的聲爆飛行試驗(yàn)新技術(shù)Fig.2 Newly formed sonic boom flight test technology of 1980—2010 s

ICAO 和FAA 等適航管理機(jī)構(gòu)開(kāi)展新一代民用超聲速航空器的聲爆評(píng)價(jià)方法和適航標(biāo)準(zhǔn)的研究［16，53］，但僅限于技術(shù)探索，標(biāo)準(zhǔn)指定方面取得的進(jìn)展有限?？偟膩?lái)說(shuō)，這一階段積累了大量的聲爆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，深入研究了聲爆對(duì)人類的影響，成功驗(yàn)證了低聲爆技術(shù)以及聲爆預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，為研制低聲爆超聲速航空器奠定了基礎(chǔ)。

1.3 低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)驗(yàn)證與適航取證飛行試驗(yàn)

從21 世紀(jì)初開(kāi)始，航空器聲爆飛行試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)入了新一代低聲爆航空器設(shè)計(jì)技術(shù)驗(yàn)證與適航取證飛行試驗(yàn)新階段。在“綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保”航空發(fā)展主題下，世界各國(guó)對(duì)超聲速民用航空器回歸商用的期望愈發(fā)迫切。依據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，2020—2035 年是超聲速民用航空器飛速發(fā)展并再次實(shí)現(xiàn)商用的階段［17-20，65-66］。美國(guó)、歐洲、俄羅斯、日本和中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)圍繞民用航空器新一代低聲爆技術(shù)啟動(dòng)或規(guī)劃了大批聲爆飛行試驗(yàn)研究項(xiàng)目，包括JAXA 的D-SEND#2［21］、歐盟/俄羅斯 的 RUMBLE［22-24］、NASA 的LBFD［13-15］、QSF18［57］、CarpetDIEM［58］與Sonic-BAT［67-68］以 及Boom Technology 的Overture SST［58，60-61］等。中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院、中國(guó)航空研究院、航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院等也開(kāi)展了殲擊機(jī)和亞軌道飛行器的地面聲爆測(cè)量［29，58］。

一些新的地面和空中聲爆測(cè)量技術(shù)得到了探索和驗(yàn)證。NASA 的CarpetDIEM［59］利用飛行試驗(yàn)對(duì)地面超大尺寸聲陣列（長(zhǎng)約48 km）技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖 3（a）所示。NASA 的QSF18［57］研究可控聲爆飛行方法和測(cè)量方法，采用改進(jìn)的紋影測(cè)量設(shè)備（Schlieren Photographic System）測(cè)量T-38 飛機(jī)近場(chǎng)的聲爆流場(chǎng)，典型測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖 3（b）［69］。NASA 聯(lián)合Eagle Aeronautics，利用F-15B 飛行試驗(yàn)驗(yàn)證聲爆探針的改進(jìn)設(shè)計(jì)［70］，如圖 3（c）所示。

設(shè)計(jì)制造模型、驗(yàn)證機(jī)或商用航空器來(lái)開(kāi)展聲爆飛行試驗(yàn)。多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司公開(kāi)了超聲速民用航空器設(shè)計(jì)制造和投入商用的計(jì)劃時(shí)間表，也公布了相應(yīng)的聲爆飛行試驗(yàn)和適航審定飛行試驗(yàn)計(jì)劃，其中包括NASA 的LBFD［13-15］和Boom Supersonic 公司Overture SST/XB-1 項(xiàng)目［60-61］等，圖 3（d）為NASA 的LBFD 項(xiàng)目的X-59 QueSST 概念圖［14］。

圖3 低聲爆航空器技術(shù)驗(yàn)證的新階段飛行試驗(yàn)Fig.3 Sonic boom flight test technology

在超聲速民用航空器聲爆適航標(biāo)準(zhǔn)的制定方面，ICAO 和FAA 等適航管理機(jī)構(gòu)借助多個(gè)飛行試驗(yàn)項(xiàng)目邁出了實(shí)質(zhì)性的步伐。FAA發(fā)布了針對(duì)超聲速航空器特許飛行和適航標(biāo)準(zhǔn)修訂 的NPRM［25，71-72］，ICAO 和FAA 介 入NASA的LBFD 項(xiàng)目，基于新一代民用航空器的低聲爆（＜70～80 PLdB）特征［53］，開(kāi)展聲爆適航標(biāo)準(zhǔn)制定研究［13-15，73-76］，推進(jìn)超聲速民用航空器技術(shù)發(fā)展和投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。從當(dāng)前的研究趨勢(shì)看，聲爆問(wèn)題將納入新一代民用超聲速航空器適航審定范疇，聲爆適航審定飛行試驗(yàn)即將開(kāi)展［15，67，71-72］，但符合性驗(yàn)證方法仍需要通過(guò)飛行試驗(yàn)進(jìn)行探索和驗(yàn)證。

世界范圍內(nèi)超聲速航空器低聲爆技術(shù)發(fā)展不同步，開(kāi)展飛行試驗(yàn)的技術(shù)途徑有很大差異。NASA 的大量聲爆飛行試驗(yàn)［59，66-68］、歐盟/俄羅斯的RUMBLE［22-24］以及中國(guó)的聲爆飛行試驗(yàn)［30，68］均采用現(xiàn)有軍用殲擊機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，而日本JAXA 的D-SEND#2［21］采用高空投放無(wú)動(dòng)力模型的方法開(kāi)展飛行試驗(yàn)，NASA 和一些航空器制造商則研制試驗(yàn)機(jī)或新型號(hào)飛機(jī)開(kāi)展飛行試驗(yàn)［14，60-61］。

這一階段的聲爆飛行試驗(yàn)項(xiàng)目主要圍繞低聲爆航空器設(shè)計(jì)技術(shù)的驗(yàn)證開(kāi)展，進(jìn)行了大量聲爆測(cè)量新技術(shù)的探索，從美國(guó)、歐洲的民用超聲速航空器研制進(jìn)展看，用于型號(hào)設(shè)計(jì)定型或適航審定的聲爆試驗(yàn)將大規(guī)模開(kāi)展，聲爆飛行試驗(yàn)將助推新一代民用超聲速航空器研制和重返商用。

2 航空器聲爆飛行測(cè)量技術(shù)方案

2.1 聲爆全傳播路徑測(cè)量階段劃分

聲爆的產(chǎn)生與傳播受航空器氣動(dòng)布局、飛行狀態(tài)、飛行航跡、大氣條件和地面散射等多方面因素的影響［6-8，77-82］。圖 4（a）為通過(guò)飛行試驗(yàn)得到的典型聲爆在真實(shí)大氣中的傳播特征［48］，可以看出聲爆在傳播過(guò)程中發(fā)生復(fù)雜的演化。聲爆在傳播過(guò)程中受大氣非均勻性的影響顯著［83-86］，在機(jī)體周?chē)疗鋷资短卣鏖L(zhǎng)度范圍的近場(chǎng)，結(jié)構(gòu)外邊界與氣流相互作用產(chǎn)生以頭部和尾部為主的復(fù)雜激波和膨脹波系；在距離機(jī)體幾十倍特征長(zhǎng)度外的中場(chǎng)，復(fù)雜波系在傳播過(guò)程中發(fā)生復(fù)雜的非線性演化與融合；而在遠(yuǎn)場(chǎng)和近地面，波系逐漸融合形成波形趨于穩(wěn)定的聲爆，表現(xiàn)出顯著輻射特性，但近地面大氣非均勻性更加顯著且地面對(duì)聲爆具有明顯的散射作用，遠(yuǎn)場(chǎng)和近地面聲爆受當(dāng)?shù)卮髿夂偷孛姝h(huán)境影響會(huì)發(fā)生波形畸變［86-87］。基于此，通常將聲爆的傳播劃分為近場(chǎng)、中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)（地面）等典型階段，見(jiàn)圖 4（b），但近場(chǎng)、中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)一般沒(méi)有明確的界線。

圖4 聲爆的產(chǎn)生及遠(yuǎn)距離傳播特性Fig.4 Characteristics of sonic boom generation and long distance propagation

這一按照傳播路徑對(duì)聲爆進(jìn)行空間傳播階段劃分的方法，從宏觀上簡(jiǎn)潔勾勒出聲爆的傳播規(guī)律，對(duì)全傳播路徑的聲爆測(cè)量提出了準(zhǔn)確的差異化需求，對(duì)飛行試驗(yàn)技術(shù)方案的制定具有很大的指導(dǎo)意義。在已開(kāi)展的大量聲爆飛行試驗(yàn)中，近場(chǎng)至中場(chǎng)、中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)和地面的聲爆測(cè)量都采用不同測(cè)量平臺(tái)或設(shè)施組合進(jìn)行測(cè)量。

2.2 聲爆測(cè)量飛行試驗(yàn)技術(shù)方案組成

聲爆測(cè)量飛行試驗(yàn)技術(shù)方案組成主要包括通用試驗(yàn)資源建設(shè)、飛行方法設(shè)計(jì)、聲爆/輔助參數(shù)測(cè)量方法等，各組成要素及邏輯關(guān)系見(jiàn)圖 5。

圖5 聲爆測(cè)量飛行試驗(yàn)技術(shù)方案組成示意圖Fig.5 Schematic diagram of sonic boom measurement flight test technical scheme

2.2.1 通用試驗(yàn)資源建設(shè)

通用試驗(yàn)資源由試驗(yàn)對(duì)象、通用保障資源和試驗(yàn)場(chǎng)地等組成。試驗(yàn)對(duì)象是進(jìn)行聲爆飛行試驗(yàn)首要面對(duì)的資源問(wèn)題。在聲爆飛行試驗(yàn)中常選取的試驗(yàn)對(duì)象有3 類：一是選用成熟的超聲速軍用或民用飛機(jī)平臺(tái)，如在聲爆產(chǎn)生機(jī)理和聲爆對(duì)人類影響的研究項(xiàng)目中，選擇J-XX［29］、F100［32］、XB-70［33-34］、SR71［38-39，45］、協(xié)和號(hào)Concorde［44］、F-104［42-43］、Tu-144［46］、F-18［45，53-55］等 作為試驗(yàn)對(duì)象；二是選用成熟飛行平臺(tái)進(jìn)行大的改裝設(shè)計(jì)作為試驗(yàn)機(jī)，如DARPA 的QSPSSBD［8，49-51］和灣流/NASA 的Quiet SpikeTM［5，52］分別對(duì)F-5E 和F-15B 飛機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，用于聲爆機(jī)理和低聲爆技術(shù)探索研究；三是設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)機(jī)（模型）或研制新型號(hào)作為試驗(yàn)對(duì)象，如JAXA 的D-SEND［16，21］項(xiàng)目研制了NWM、LBM和S3CM 等模型，NASA 的LBFD［13-15］項(xiàng)目則研制新一代民用超聲速航空器X-59 QueSST，這一技術(shù)路線往往結(jié)合新型號(hào)的研制開(kāi)展，用于低聲爆技術(shù)探索和新型號(hào)適航取證試驗(yàn)，技術(shù)、人力和物力成本相對(duì)較高。

聲爆測(cè)量飛行試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地有特殊要求。試驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)具有適宜飛行試驗(yàn)環(huán)境，即具備大范圍的超聲速飛行空域和平坦地形，還需避免聲爆對(duì)地面上的人和附著物的危害。美國(guó)的聲爆飛行試驗(yàn)一般選擇在空軍的EAFB 基地和NASA的Kennedy Space Center、Dryden 基地等 進(jìn)行［27］，設(shè)置有大范圍超低空至高空的超聲速飛行廊道，可飛行天氣多，背景聲環(huán)境優(yōu)良，具有大范圍地勢(shì)平坦的無(wú)人區(qū)來(lái)設(shè)置試驗(yàn)場(chǎng)地，可進(jìn)行環(huán)境改造和構(gòu)建，附近有小范圍居住區(qū)供開(kāi)展主觀調(diào)查。通用保障資源方面主要是可供試驗(yàn)對(duì)象和測(cè)量平臺(tái)起降的機(jī)場(chǎng)以及飛行保障設(shè)施，這方面資源相對(duì)成熟，不再贅述。

2.2.2 飛行方法設(shè)計(jì)

飛行方法設(shè)計(jì)是指借助聲爆理論分析、預(yù)測(cè)手段以及必要的探索試驗(yàn)，產(chǎn)生目標(biāo)聲爆的試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，包括飛行狀態(tài)、飛行航跡和構(gòu)型要求等要素。試驗(yàn)對(duì)象的構(gòu)型（氣動(dòng)外形/外掛物/重量/重心等）、飛行狀態(tài)和飛行航跡決定了近場(chǎng)聲爆特征，如何確定目標(biāo)聲爆對(duì)應(yīng)的構(gòu)型和飛行狀態(tài)存在一定技術(shù)難度，既需要借助歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也需要聲爆理論和計(jì)算工具支撐。NASA Armstrong 采用基于飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的聲爆預(yù)測(cè)技術(shù)［62］指導(dǎo)飛行試驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和執(zhí)行，用聲爆預(yù)測(cè)軟件進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)計(jì)，飛行員和工程師可實(shí)時(shí)監(jiān)控不同飛行狀態(tài)下在飛行航跡下方的聲爆空間分布。NASA 通過(guò)QSF18 項(xiàng)目為L(zhǎng)BFD 項(xiàng)目探索聲爆飛行試驗(yàn)方法［57］，選擇F/A-18 平臺(tái)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了產(chǎn)生可控目標(biāo)聲爆的飛行方法。飛行航跡通常根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的飛行性能、空域和試驗(yàn)場(chǎng)大小以及聲爆測(cè)量點(diǎn)布置等進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)采用飛行平臺(tái)進(jìn)行空中聲爆測(cè)量時(shí)，飛行狀態(tài)和飛行航跡的設(shè)計(jì)還需考慮與測(cè)量平臺(tái)的協(xié)同飛行。

2.2.3 聲爆測(cè)量

聲爆測(cè)量是聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)方案的核心。需根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x擇性進(jìn)行近場(chǎng)、中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)/地面等不同階段的聲爆測(cè)量，縱觀表 1 的聲爆飛行試驗(yàn)項(xiàng)目，不同階段的聲爆測(cè)量均根據(jù)圖 4 所示聲爆傳播規(guī)律來(lái)制定差異化的測(cè)量方法。對(duì)近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆，常采用具有與被試對(duì)象飛行性能相當(dāng)?shù)娘w行平臺(tái)攜帶測(cè)量設(shè)備在中高空進(jìn)行測(cè)量，常見(jiàn)測(cè)量設(shè)備有聲爆探針和流場(chǎng)成像設(shè)施，如NASA 采用殲 擊機(jī)測(cè) 量平臺(tái)［5，32，45，49］攜帶聲爆探針進(jìn)行測(cè)量。對(duì)中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)聲爆，由于不需要近距離跟隨被試對(duì)象，飛行高度和速度相對(duì)低，可選用飛行性能和成本更具優(yōu)勢(shì)的亞聲速低空平臺(tái)或浮空平臺(tái)，補(bǔ)充超聲速測(cè)量平臺(tái)難以覆蓋的超低空測(cè)量區(qū)域，并且對(duì)測(cè)量設(shè)施的環(huán)境適應(yīng)性要求降低，常采用頻響性能好、分辨率高且動(dòng)態(tài)范圍寬的帶支桿和整流裝置的傳聲器設(shè)施進(jìn)行測(cè)量，如NASA 采用TG-14 攜帶前支桿傳聲器裝置進(jìn)行聲爆測(cè)量［54］，JAXA 研制了系留飛艇聲爆測(cè)量平臺(tái)ABMS［16］。對(duì)于地面聲爆測(cè)量，為考慮聲爆在地面的分布特征，常采用大尺度的傳感器陣列進(jìn)行分布測(cè)試［8，33-34，38-40，59］，一般選取傳聲器和動(dòng)態(tài)壓力傳感器組建陣列。在考察聲爆對(duì)人類影響的飛行試驗(yàn)中，地面聲爆可以不直接測(cè)量，而是對(duì)地面人員進(jìn)行主觀感受調(diào)查［36-37，53］。

2.2.4 輔助測(cè)量

聲爆飛行試驗(yàn)還需要輔助測(cè)量試驗(yàn)對(duì)象、飛行測(cè)量平臺(tái)的飛行狀態(tài)、飛行航跡，以及聲爆傳播路徑上的大氣條件和測(cè)量點(diǎn)位置等參數(shù)［8，16，34，52］。試驗(yàn)對(duì)象、飛行測(cè)量平臺(tái)的飛行狀態(tài)、飛行航跡參數(shù)的測(cè)量常采用加裝在其內(nèi)部的機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)以及地面輔助設(shè)施進(jìn)行。大氣條件測(cè)量主要用于分析聲爆產(chǎn)生和傳播的真實(shí)大氣環(huán)境，常采用地面和空中氣象測(cè)量設(shè)施進(jìn)行測(cè)量。

2.3 聲爆全傳播路徑測(cè)量技術(shù)方案

進(jìn)行全傳播路徑測(cè)量技術(shù)方案的分析有助于把握聲爆飛行試驗(yàn)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。一般情況下，研究人員根據(jù)聲爆飛行試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)選擇所需的聲爆測(cè)量技術(shù)方案。聲爆飛行試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)主要包括：①研究聲爆的產(chǎn)生機(jī)理和傳播規(guī)律，提煉或驗(yàn)證聲爆理論模型與預(yù)測(cè)方法［8］；② 考察大氣條件和地面及其附著物等對(duì)聲爆傳播的影響［24，54-55］；③研究航空器設(shè)計(jì)參數(shù)和飛行參數(shù)對(duì)聲爆產(chǎn)生與傳播的影響［5，49-52］；④ 探索聲爆對(duì)人類生產(chǎn)生活的影響以及聲爆主客觀評(píng)價(jià)方法［45-46，48，53，74-76］；⑤ 進(jìn)行地面聲爆的實(shí)測(cè)與評(píng)定，支持型號(hào)設(shè)計(jì)定型或適航審定［13-15］。對(duì)目標(biāo)①和②類試驗(yàn)，一般要求自近場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)/地面進(jìn)行全傳播路徑的聲爆測(cè)量；對(duì)目標(biāo)③類試驗(yàn)，為排除大氣條件對(duì)聲爆傳播的影響，直觀反映飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)飛行狀態(tài)與近場(chǎng)激波系的物理關(guān)聯(lián)，可僅進(jìn)行近場(chǎng)聲爆測(cè)量；對(duì)目標(biāo)④和⑤類試驗(yàn)，常進(jìn)行地面聲爆測(cè)試即可，聲爆對(duì)人類影響的研究還需對(duì)受聲爆影響的居民區(qū)人群進(jìn)行主觀調(diào)查。

縱觀已開(kāi)展的聲爆飛行試驗(yàn)項(xiàng)目，既有上述目標(biāo)中的某一個(gè)，也有多目標(biāo)的組合。圖 5 所示聲爆飛行測(cè)量技術(shù)方案中，試驗(yàn)資源建設(shè)和飛行方法設(shè)計(jì)是必要要素，而聲爆測(cè)量則根據(jù)目標(biāo)不同可選用近場(chǎng)至中場(chǎng)、中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)和地面等不同階段測(cè)量方案的組合。如灣流/NASA 的Quiet SpikeTM項(xiàng)目［5，52］僅測(cè)量近場(chǎng)聲爆，NASA/Wyle的SCAMP 項(xiàng)目［54-55］和JAXA 的D-SEND 項(xiàng)目［16，21］僅測(cè)量了遠(yuǎn)場(chǎng)和地面聲爆，而NASA 的SR-71 SBPE 項(xiàng)目［46，48］則測(cè)量了全傳播路徑聲爆。

大量的聲爆飛行試驗(yàn)研究實(shí)踐表明，由于聲爆的傳播與演化過(guò)程復(fù)雜且分布范圍廣，當(dāng)前還沒(méi)有統(tǒng)一且簡(jiǎn)單有效的全傳播路徑測(cè)量手段，仍然依賴于近場(chǎng)至中場(chǎng)、中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)和地面的不同測(cè)量平臺(tái)及設(shè)施進(jìn)行組合式測(cè)量。圖 6 為NASA 的SR-71 SBPE 項(xiàng)目全傳播路徑聲爆測(cè)量方案［46，48］，近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量采用F-16XL飛機(jī)攜帶聲爆探針，遠(yuǎn)場(chǎng)近地面空中聲爆測(cè)量采用YO-3A 飛機(jī)攜帶前支桿傳聲器裝置，地面聲爆測(cè)量則采用3 組傳感器陣列。表 1 中的聲爆飛行試驗(yàn)多數(shù)采用了與圖 6 相近的測(cè)量方案，根據(jù)目標(biāo)不同選擇近場(chǎng)至中場(chǎng)、中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)和地面聲爆測(cè)量方法中的一種或其組合。NASA 通過(guò)綜合多個(gè)飛行試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量設(shè)施資源，總結(jié)出如圖 7 所示全傳播路徑聲爆飛測(cè)量技術(shù)方案［8］，涵蓋了近年來(lái)飛行試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展和成果，對(duì)當(dāng)前和未來(lái)聲爆飛行試驗(yàn)具有較大啟發(fā)意義。NASA 的LBFD 項(xiàng)目為更好保障2022 年啟動(dòng)的X-59 QueSST 的聲爆測(cè)量飛行試驗(yàn)，開(kāi)展了超大型地面測(cè)量聲陣列、近場(chǎng)聲爆探針、近場(chǎng)流場(chǎng)紋影測(cè)量等新技術(shù)攻關(guān)［66-67，69，88-90］，制定了如圖 8 所示聲爆測(cè)量方案［91］，但全傳播路徑聲爆測(cè)量仍依據(jù)圖 4（b）的傳播階段劃分，采用組合式的測(cè)量方案，無(wú)根本性革新。

圖6 NASA SR-71 SBPE項(xiàng)目的聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)方案［8］Fig.6 Sonic boom measurement arrangement illustration of NASA SR-71 SBPE flight tests［8］

圖7 NASA 總結(jié)的聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)方案［8］Fig.7 Schematic of various methods for sonic boom measurement in flight tests of NASA ［8］

圖8 NASA 規(guī)劃的X-59 QueSST 的聲爆飛行試驗(yàn)方案［91］Fig.8 Sonic boom measurement arrangement illustration of NASA X-59 QueSST flight tests ［91］

從當(dāng)前的聲爆測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展看，全傳播路徑聲爆測(cè)量需要研制試驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)發(fā)高低空搭配的飛行測(cè)量平臺(tái)和專用測(cè)量設(shè)施，同步進(jìn)行大氣條件、被試對(duì)象/測(cè)量平臺(tái)飛行狀態(tài)與飛行航跡等的輔助測(cè)量，需要消耗大量的空-地試驗(yàn)資源，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

3 全傳播路徑聲爆測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地面聲爆測(cè)量

地面聲爆的物理特性及其對(duì)人類的影響是聲爆飛行試驗(yàn)最為關(guān)注的問(wèn)題。地面聲爆測(cè)量通常在地平面高度和影響對(duì)象的特征高度實(shí)施，測(cè)量區(qū)域布置在專用的試驗(yàn)場(chǎng)地、居民區(qū)或建筑物內(nèi)。地面聲爆測(cè)量設(shè)施的設(shè)計(jì)研制和地面聲爆測(cè)量陣列的設(shè)計(jì)布置是地面聲爆測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1.1 地面聲爆測(cè)量設(shè)施的設(shè)計(jì)研制

地面聲爆測(cè)量大多采用以壓力傳感器（如動(dòng)態(tài)絕壓傳感器和傳聲器等）陣列為核心的測(cè)量設(shè)施，測(cè)試系統(tǒng)包括傳感器陣列、信號(hào)調(diào)理設(shè)施、信號(hào)采集記錄設(shè)施和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。地面聲爆具有持續(xù)時(shí)間短、能量高、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，因此，與常規(guī)航空聲學(xué)測(cè)量相比，地面聲爆測(cè)量傳感器的動(dòng)態(tài)范圍要求更寬（可達(dá)120 dB），量程上限更高（可至190 dB 以上或逾壓達(dá)100 kPa 以上），關(guān)注的頻率范圍更低（通常低至0.1～5 Hz）。NASA/EAFB 等開(kāi)展的NSBEP 項(xiàng)目［33-34］和PRSSBT 項(xiàng)目［38-39］最早通過(guò)大型地面?zhèn)鞲衅麝嚵校ㄊ褂脛?dòng)態(tài)壓力傳感器和傳聲器）測(cè)量地面聲爆，并將居民區(qū)的人的聽(tīng)覺(jué)作為聲爆的主觀響應(yīng)評(píng)估手段。其中NSBEP 項(xiàng)目的主要目標(biāo)是研究XB-70 地面聲爆特征和分布規(guī)律，基于NASA自1961 年起開(kāi)發(fā)的專用地面聲爆測(cè)量系統(tǒng)［92］開(kāi)展了51 個(gè)飛行架次的地面聲爆測(cè)量。該系統(tǒng)采用了寬帶頻響特性較好的電容式傳聲器和磁帶式記錄器，分析頻率范圍為0.1 Hz～10 kH（z限于分析設(shè)備指標(biāo)限制，高頻截止頻率為5 kHz）。美國(guó)空軍在20 世紀(jì)70—90 年代研制了聲爆測(cè)量專用的BEAR（Boom Event Analyzer Recorders，BEAR）系統(tǒng)［47，82，93］，其傳感器為一種響應(yīng)速度快的逾壓傳感器，頻率測(cè)量范圍為0.1～2 500 Hz，壓力測(cè)量范圍為0.5～3 600 Pa。NASA 在1995 年開(kāi)展的SR-71 SBPE 項(xiàng)目［46，48］采用經(jīng) 低頻特性改良的絕壓和逾壓傳感器進(jìn)行地面聲爆測(cè)量，低頻截止頻率達(dá)0.3 Hz。

隨著傳聲器和動(dòng)態(tài)壓力傳感器技術(shù)的發(fā)展，頻響特性優(yōu)良的電容式傳聲器和動(dòng)態(tài)范圍高的壓電式傳聲器具備較好的地面聲爆測(cè)量能力。這類傳感器的測(cè)量頻率范圍通常涵蓋5～10 kHz，經(jīng)頻響修正后可將頻率范圍擴(kuò)展至0.1～20 kHz，其動(dòng)態(tài)范圍可覆蓋35～180 dB。采用壓電/壓敏材料制造的動(dòng)態(tài)壓力傳感器相比傳聲器則具有更寬的頻率范圍，其頻響平直段的頻率范圍可覆蓋0～100 kHz。NASA 的CarpetDIEM 項(xiàng)目［59］采用了基于高聲壓電容式傳聲器的地面聲爆測(cè)量傳感器陣列。中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院與中國(guó)航空研究院等開(kāi)展的殲擊機(jī)地面聲爆測(cè)量［29］則采用了電容式高聲壓傳聲器和壓敏式動(dòng)態(tài)壓力傳感器的組合。

為了更有效和有針對(duì)性的測(cè)量地面聲爆，需要開(kāi)發(fā)專用的地面聲爆測(cè)量設(shè)施。美國(guó)空軍研制的BEAR 系統(tǒng)是一種無(wú)人值守的便攜式數(shù)字化地面聲爆測(cè)量和分析系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)一定背景噪聲中聲爆的自動(dòng)觸發(fā)采集記錄，且可組成BEARs陣列使用。NASA 的SR-71 SBPE 項(xiàng)目［46，48］也研制了地面聲爆專用測(cè)量設(shè)施，包括PATS 單元、SABER 單元和MiniDisc 數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備等，其傳感器子系統(tǒng)采用低頻特性改良的絕壓和逾壓傳感器，提高了數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的數(shù)字量化精度（高至16 bit），引入了自動(dòng)觸發(fā)測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行了系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、單片機(jī)等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新進(jìn)展應(yīng)用到測(cè)量系統(tǒng)中。NASA的WSPR 項(xiàng)目［53］首次開(kāi)展低聲爆對(duì)人類影響的飛行試驗(yàn)研究，進(jìn)行了低聲爆測(cè)量方法研究，研制了居民區(qū)地面聲爆測(cè)量系統(tǒng)SBUDAS 和SNOOPI，開(kāi)發(fā)了用于數(shù)據(jù)傳輸、控制的無(wú)線通信系統(tǒng)，如圖 9 所示。SBUDAS 和SNOOPI 可通過(guò)太陽(yáng)能自主充電，與主站通過(guò)無(wú)線信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙向通信，可連續(xù)自主工作數(shù)周，且具有自動(dòng)觸發(fā)的數(shù)據(jù)采集記錄功能。由于SBUDAS 單元布置于社區(qū)中，自動(dòng)觸發(fā)功能容易受社區(qū)背景噪聲的影響，NASA 發(fā)展了聲爆自動(dòng)捕捉技術(shù)（Automated Boom Finder），專門(mén)設(shè)計(jì)了4～10 Hz 帶通濾波器來(lái)捕捉聲爆的主導(dǎo)頻率成分，用于自動(dòng)觸發(fā)記錄條件的精確判定。NASA Armstrong 在飛行試驗(yàn)中［26］還通過(guò)在聲爆測(cè)試系統(tǒng)中集成數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸功能，解決了數(shù)百米至數(shù)十千米級(jí)大范圍地面聲爆測(cè)量帶來(lái)的大規(guī)模線纜布設(shè)難題，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)，降低了測(cè)試設(shè)施布設(shè)與維護(hù)難度。

圖9 NASA WSPR 項(xiàng)目的專用地面聲爆測(cè)量設(shè)施［53］Fig.9 Specialized ground sonic boom measurement system of NASA WSPR ［53］

隨著超聲速航空器的快速發(fā)展以及自動(dòng)化與智能化測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，聲爆測(cè)量設(shè)施向智能化發(fā)展，且規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。NASA 為支持LBFD項(xiàng)目規(guī)劃的X-59 QueSST 低聲爆飛行試驗(yàn)，持續(xù)開(kāi)展了WSPR［53］、CarpetDIEM［59］和SonicBAT［67-68］等一系列先導(dǎo)項(xiàng)目研究測(cè)量技術(shù)，研制了如圖 10所示的新一代地面聲爆測(cè)量系統(tǒng)CI-GRS［94］。CI-GRS 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在一定噪聲環(huán)境中的超低聲爆自動(dòng)識(shí)別和自主采集記錄，可連續(xù)自主工作數(shù)天，還可自主定制軟件進(jìn)行聲爆的實(shí)時(shí)分析以及感覺(jué)響度級(jí)等指標(biāo)的計(jì)算，具有更強(qiáng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，可通過(guò)遠(yuǎn)程控制站實(shí)現(xiàn)多達(dá)175 組單元的有效控制，組建的陣列尺度可達(dá)48 km。

圖10 NASA LBFD 項(xiàng)目新研地面聲爆測(cè)量設(shè)施CIGRS［94］Fig.10 Newly developed ground sonic boom measurement system CI-GRS of NASA LBFD ［94］

聲爆測(cè)量場(chǎng)地一般設(shè)置在廣袤的無(wú)人區(qū)或少量居民居住區(qū)，地面聲爆測(cè)量設(shè)施需要長(zhǎng)時(shí)間布置在野外環(huán)境中，對(duì)設(shè)施的環(huán)境適應(yīng)性提出了特殊要求。NASA Armstrong 在總結(jié)其承擔(dān)SonicBOBS、SCAMP、WSPR 和FaINT 等項(xiàng)目的飛行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)時(shí)指出［27］，野外布置的聲爆測(cè)量設(shè)施應(yīng)考慮可能面臨的惡劣野外環(huán)境，具備抵抗氣候與氣象環(huán)境變化、防止被野生動(dòng)物破壞和無(wú)人值守自主工作的能力；同時(shí)還應(yīng)具有自動(dòng)觸發(fā)和人工操作觸發(fā)進(jìn)行采集記錄的功能，能自主智能地區(qū)分人類生產(chǎn)生活噪聲與被測(cè)聲爆信號(hào)。

當(dāng)前，發(fā)展更加精確、高效和智能的地面聲爆專用測(cè)量設(shè)施是聲爆測(cè)量技術(shù)的重要發(fā)展方向。現(xiàn)有的地面聲爆專用測(cè)量設(shè)施集成了新的傳感器技術(shù)、數(shù)采技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，針對(duì)不同種類的地面聲爆試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行測(cè)量方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成度、自動(dòng)化程度和智能化程度顯著提高，增強(qiáng)了系統(tǒng)的試驗(yàn)環(huán)境適應(yīng)性，大大提升了測(cè)量能力和效率。

3.1.2 地面聲爆測(cè)量傳感器陣列的設(shè)計(jì)布置

聲爆可以在大氣中遠(yuǎn)距離傳播，地面聲爆毯（Sonic Boom Carpet）橫向分布范圍達(dá)到幾十甚至上百千米。非均勻大氣與地面的散射作用還容易導(dǎo)致多級(jí)聲爆毯現(xiàn)象（Primary Booms and Secondary Booms）［54-55］。大量飛 行試驗(yàn) 采用傳感器陣列測(cè)量地面聲爆，工程應(yīng)用中難以在整個(gè)聲爆毯范圍內(nèi)布設(shè)無(wú)限大規(guī)模的傳感器陣列，如何設(shè)計(jì)與布置傳感器陣列也是地面聲爆測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵。

應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和聲爆分布特性有針對(duì)性地設(shè)計(jì)地面聲爆測(cè)量傳感器陣列。采用理論分析和預(yù)測(cè)技術(shù)評(píng)估聲爆，分析聲爆毯的橫向和航向分布特征，為陣列的布置范圍、關(guān)鍵位置和陣型設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。NASA 基于飛行實(shí)測(cè)的有限聲爆數(shù)據(jù)計(jì)算F-18 的地面聲爆分布［53］，指導(dǎo)聲爆傳感器陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)。NASA 在F-104 飛行試驗(yàn)中［95］，預(yù)估聲爆橫向截?cái)啵↙ateral Cutoff）特性，將地面聲爆測(cè)量陣列橫向布置在聲爆毯截?cái)帱c(diǎn)附近16 km 范圍內(nèi)，準(zhǔn)確獲取了橫向截?cái)帱c(diǎn)位置，實(shí)測(cè)聲爆毯橫向?qū)挾燃s21 km。NASA 在1970 BREN Tower Tests 項(xiàng)目［42-43，80］中，為研究地面聲爆橫向截?cái)嗵匦?，在地面垂直于航跡方向布置長(zhǎng)3 200 f（t1 ft=0.304 8 m）、間隔100 ft 的線性傳聲器陣列［80］，見(jiàn)圖 11（a）。美國(guó)EAFB 通過(guò)F106 聲爆飛行試驗(yàn)進(jìn)行大氣湍流對(duì)聲爆傳播的影響研究，沿航跡方向布置了長(zhǎng)7 000 ft 的傳聲器陣列［96］，見(jiàn)圖 11（b），陣型長(zhǎng)度的選取考慮了F106 飛機(jī)的聲爆傳播特征和KC-135 制造的湍流區(qū)分布特征。為了研究地面聲爆測(cè)量傳感器安裝方式對(duì)測(cè)量的影響，美國(guó)空軍在1966 年和1987 年采用圖 11（c）所示方案進(jìn)行地面聲爆測(cè)量［97］，在面積為4 ft2方形反射板上的半徑為1 ft的圓內(nèi)布置6 套不同安裝方式的傳聲器。DARPA 的QSP-SSBD［51，98］、NASA/Wyle 的SCAMP［54-55］、NASA 的CarpetDIEM［58］及Sonic-BAT［67-68］、JAXA 的D-SEND［16，21］和中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院等的殲擊機(jī)地面聲爆測(cè)量［29］等項(xiàng)目均采用了大尺度的傳感器陣列，考察不同飛行狀態(tài)、大氣條件和地面地形等的影響，陣列設(shè)計(jì)均考慮了被試對(duì)象目標(biāo)狀態(tài)的聲爆特征，采用聲爆理論分析和預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，圖 11（d）為NASA/Wyle 的SCAMP［55］的陣列，圖 11（e）為中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院的縱向長(zhǎng)度1.20 km、橫向長(zhǎng)度0.48 km 的十字形陣列［29］。

圖11 不同項(xiàng)目的地面聲爆測(cè)量方案Fig.11 Sonic boom measurement arrangements at ground level of different flight test programs

地面聲爆測(cè)量傳感器陣列的設(shè)計(jì)布置還需要解決如何考慮或修正地面對(duì)聲爆傳播的散射影響，即如何在地面布置每個(gè)陣元的傳感器。一般采用如圖 12 所示的3 類布置方式：①將傳感器安裝于地面的反射板上，根據(jù)反射板對(duì)聲爆的反射規(guī)律［87］，近似得到自由場(chǎng)情況下的聲爆逾壓，如圖 11（c）為美國(guó)空軍通過(guò)飛行試驗(yàn)研究傳聲器在反射板上的安裝方式對(duì)測(cè)量的影響［97］，得到了具體固定方式對(duì)測(cè)量影響可以忽略的重要結(jié)論，為后續(xù)在地面布置傳感器提供了重要指導(dǎo)，之后大量項(xiàng)目采用了這類傳感器布置方式，如JAXA 的D-SEND［16，21］、中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院的某型殲擊機(jī)聲爆飛行試驗(yàn)［29］和NASA 的CarpetDIEM［59］等；②將傳感器安裝于人正常站姿的耳位高度（1.6 m 或噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)要求的1.2 m），這一布置方式盡管難以定量分析地面的影響，但真實(shí)反映了人正常站姿情況下實(shí)際感受的聲爆水 平，如NASA/Wyle 的WSPR［53］、航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院的OS-X0 試驗(yàn)飛行器聲爆特性測(cè)量試驗(yàn)［68］等；③安裝于遠(yuǎn)離地面的加高支撐設(shè)施上，可得到未受地面影響的直達(dá)聲爆和受地面反射的聲爆，考察地面影響，分析近地面聲爆特征，如NASA 的1970 BREN Tower Tests 項(xiàng)目［42-43］采用地面高塔進(jìn)行近地面聲爆測(cè)量，考對(duì)聲爆的散射作用。

圖12 地面聲爆測(cè)量傳感器的典型布置方式Fig.12 Typical mounted method of ground level sonic boom measurement transducer

地面聲爆測(cè)量傳感器陣列的設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，測(cè)試算法和專用設(shè)施的發(fā)展將為特殊用途和超大規(guī)模傳感器陣列的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。NASA/EAFB 等的FaINT 項(xiàng)目［99］采用地面螺旋聲陣列研究聲爆傳播方向，陣列設(shè)計(jì)采用了波達(dá)方向估計(jì)信號(hào)分析技術(shù)。NASA在2019 年起開(kāi)展了新一代大型聲陣列低聲爆測(cè)量能力驗(yàn)證的CarpetDIEM 項(xiàng)目［59］，采用了新開(kāi)發(fā)的CI-GRS 系統(tǒng)，吸收了智能化測(cè)量技術(shù)的新研究成果，大大提升超大尺寸陣列的布置能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自主測(cè)量和在線分析。

綜上，地面聲爆測(cè)量技術(shù)及其設(shè)施發(fā)展相對(duì)最為充分，通用和專用設(shè)施發(fā)展完善，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)集中在自主化工作、測(cè)量與分析的智能化、超大范圍分布式布置等方向。面對(duì)新一代低聲爆航空器，其測(cè)量指標(biāo)以及陣列設(shè)計(jì)及布置方式的適用性還需要實(shí)踐檢驗(yàn)。

3.2 空中聲爆測(cè)量

空中聲爆測(cè)量的目的通常是為研究聲爆的產(chǎn)生機(jī)理及傳播規(guī)律，提煉聲爆理論和預(yù)測(cè)方法，驗(yàn)證低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)?？罩新暠瑴y(cè)量需要空中飛行或浮空測(cè)量平臺(tái)，近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量、中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)聲爆測(cè)量的技術(shù)路線有一定差異。

3.2.1 近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量

近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量主要對(duì)被試對(duì)象附近的流場(chǎng)壓力進(jìn)行測(cè)量，涉及測(cè)量平臺(tái)的選取設(shè)計(jì)和近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量設(shè)施設(shè)計(jì)兩方面關(guān)鍵技術(shù)。

1）近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量飛行平臺(tái)

為了在空中測(cè)量距離被試對(duì)象足夠近的區(qū)域的聲爆，需要采用與被測(cè)對(duì)象飛行能力相當(dāng)?shù)臏y(cè)量飛行平臺(tái)攜帶壓力測(cè)量裝置或流場(chǎng)成像設(shè)施進(jìn)行測(cè)量［8］。聲爆測(cè)量飛行平臺(tái)的使用顯著增加了飛行試驗(yàn)的難度、成本和周期。首先，測(cè)量平臺(tái)需要與試驗(yàn)對(duì)象協(xié)同飛行，試驗(yàn)通常希望測(cè)量平臺(tái)與試驗(yàn)對(duì)象保持盡可能近的距離，大大增加飛行的難度與風(fēng)險(xiǎn)；其次，聲爆測(cè)量飛行平臺(tái)與試驗(yàn)對(duì)象同時(shí)進(jìn)行飛行保障和測(cè)試，增加了測(cè)試和保障設(shè)施需求，使得有效試驗(yàn)時(shí)間占總飛行試驗(yàn)時(shí)間的比例明顯降低；最后，聲爆測(cè)量飛行平臺(tái)需要進(jìn)行大量的測(cè)試設(shè)施的加改裝，甚至需要專門(mén)研制飛行平臺(tái)。

聲爆測(cè)量飛行平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是平臺(tái)的選取和加改裝。飛行平臺(tái)應(yīng)該具有與試驗(yàn)對(duì)象相當(dāng)甚至更優(yōu)異的飛行性能，以便能與試驗(yàn)對(duì)象協(xié)同飛行，并降低飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。圖 1（a）和圖 13分別為NASA/EAFB 的NSBEP［33-34］和灣流/NASA 的Quiet SpikeTM［5，52］的近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量技術(shù)方案，可以看出測(cè)量飛行平臺(tái)需要在被試對(duì)象周?chē)圆煌较蜻M(jìn)行穿越飛行，最近距離不到100 ft，因而要求飛行平臺(tái)技術(shù)成熟度高、安全性高和飛行性能優(yōu)良。聲爆測(cè)量飛行平臺(tái)還需進(jìn)行測(cè)試設(shè)施的加改裝，包括聲爆測(cè)量設(shè)施的加改裝和飛行狀態(tài)、航跡測(cè)試設(shè)施的加改裝。聲爆測(cè)量設(shè)施對(duì)飛行平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)外形具有一定影響，需進(jìn)行試驗(yàn)飛行，評(píng)估加改裝對(duì)飛行平臺(tái)安全性和性能的影響，并進(jìn)行聲爆和其它輔助參數(shù)測(cè)量的修正方法研究。NASA 的SR-71 SBPE 項(xiàng)目［46，48］采 用F-16XL 加裝聲 爆探針 對(duì)SR-71 的近場(chǎng)聲爆進(jìn)行測(cè)量，正式試驗(yàn)前開(kāi)展了試驗(yàn)飛行，并進(jìn)行了壓力校準(zhǔn)的地面和飛行試驗(yàn)，研究空中聲爆測(cè)量修正方法。

圖13 Quiet SpikeTM項(xiàng)目的近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量點(diǎn)［52］Fig.13 Near-field to mid-field sonic boom flow-field test points of Quiet SpikeTM［52］

基于聲爆測(cè)量飛行平臺(tái)的近場(chǎng)聲至中場(chǎng)聲爆測(cè)量技術(shù)方案被大量運(yùn)用，成熟且性能可靠的軍用超聲速殲擊機(jī)成為理想的測(cè)量平臺(tái)。1956 年，NASA/EAFB 等的SBFT 項(xiàng)目［32］最早進(jìn) 行了近場(chǎng)聲爆測(cè)量，采用F-100 飛機(jī)攜帶專門(mén)設(shè)計(jì)的逾壓壓力傳感器伴飛被測(cè)的F-100 飛機(jī)進(jìn)行近場(chǎng)聲爆測(cè)量。在此之后，大量的飛行試驗(yàn)項(xiàng)目采用改裝的殲擊機(jī)攜帶聲爆探針進(jìn)行空中近場(chǎng)測(cè)量，如NASA 采用的測(cè)量飛行平臺(tái)有F-104［33］、F-16［46］、F-15B［50］、F-18［53］等，典型的場(chǎng)景見(jiàn)圖14［5，50］。

圖14 典型的近場(chǎng)聲爆測(cè)量場(chǎng)景Fig.14 Typical scenes of in-flight near-field sonic boom measurements

2）近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量的聲爆探針

近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量需要在研制的測(cè)量飛行平臺(tái)上安裝壓力測(cè)量設(shè)施。聲爆探針［8］是一種基于皮托管測(cè)壓原理的聲爆壓力測(cè)量設(shè)施，一般安裝于飛行平臺(tái)的頭部、機(jī)身下部或其他受氣流干擾較小的部位，有的聲爆探針與飛行平臺(tái)的空速管、姿態(tài)測(cè)量裝置等集成一體。聲爆探針的基本功能單元通常包括氣流管路、整流裝置、氣流容器、壓力測(cè)量裝置、壓力運(yùn)算單元以及補(bǔ)償裝置等。NASA/EAFB 的SBFT 項(xiàng)目［32］最早采用測(cè)量飛機(jī)攜帶專門(mén)設(shè)計(jì)的逾壓測(cè)量裝置實(shí)測(cè)近場(chǎng)聲爆壓力，該測(cè)壓裝置是一種早期的聲爆探針，安裝于飛機(jī)頭部，與兩個(gè)位于飛機(jī)頭部的靜壓支桿的靜壓孔相連。此后，利用聲爆探針測(cè)量近場(chǎng)聲爆的項(xiàng)目大量出現(xiàn)，技術(shù)也不斷改進(jìn)。NASA/EAFB的B-58 近場(chǎng)聲爆測(cè)量項(xiàng)目［100］設(shè)計(jì)了一種具有代表性的現(xiàn)代聲爆探針，得到了成功應(yīng)用，之后還被用 于NASA/EAFB 的NSBEP 項(xiàng)目［33-34，101］，加 裝于F-104 飛機(jī)上對(duì)XB-70 的近場(chǎng)聲爆進(jìn)行了測(cè)量，該聲爆探針及其安裝見(jiàn)圖 15（a）［101］。

圖15 近場(chǎng)流場(chǎng)測(cè)量聲爆探針Fig.15 In-flight sonic boom flow-field probe

壓力測(cè)量裝置是聲爆探針的核心功能單元，由氣流總壓、靜壓和差壓傳感器及管路組成，并設(shè)有多路靜壓和差壓測(cè)壓孔進(jìn)行測(cè)量修正。NASA的SR-71 SBPE 項(xiàng)目［48］在F-16XL 測(cè)量平臺(tái)上加裝聲爆探針，其結(jié)構(gòu)與測(cè)壓原理見(jiàn)圖 15（b），采用了沿用至今的5 孔測(cè)壓法，具有2 套差壓、2 套靜壓和1 套總壓等測(cè)量裝置，具有消除頭部氣流反射和補(bǔ)償溫度影響的功能。該聲爆探針在正式試驗(yàn)前開(kāi)展了壓力校準(zhǔn)地面和飛行試驗(yàn)，修正了因振動(dòng)導(dǎo)致的壓力測(cè)量不準(zhǔn)問(wèn)題，同時(shí)修正了聲爆入射角度和壓力延遲等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。DARPA的QSP-SSBD 項(xiàng)目［50］在F-15B 加裝該聲爆探針測(cè)量了F-5E 和F-5 SSBD 的近場(chǎng)聲爆。灣流/NASA 的Quiet SpikeTM項(xiàng)目［52］對(duì)該聲爆探針進(jìn)行改進(jìn)，加入了數(shù)字式測(cè)壓裝置，將其安裝于F-15B上測(cè)量了F-15B QS 的近場(chǎng)聲爆，見(jiàn)圖 15（c）。

聲爆探針需要導(dǎo)引氣流測(cè)量壓力，引氣管路存在一定的系統(tǒng)誤差和信號(hào)延遲，動(dòng)態(tài)范圍和分辨率受感壓裝置影響較大，因此初期的聲爆探針測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)范圍、分辨率等相對(duì)較差，測(cè)量修正不完善［6，48］。聲爆探針的設(shè)計(jì)需要考慮安裝位置、形狀、測(cè)量誤差和飛行影響等諸多修正，常借助數(shù)值計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)以及飛行試驗(yàn)研究修正方法，設(shè)計(jì)成本較高，其可靠性和耐用性也需要著重考慮。NASA 一直致力于聲爆探針的設(shè)計(jì)改進(jìn)，聯(lián)合Eagle Aeronautics 研制了低延遲、高可靠性且更耐用的聲爆探針Eagle Aero Probes，安裝在F-15B 機(jī)身下部進(jìn)行了飛行測(cè)量，見(jiàn)圖 15（d）［70］。為了消除載機(jī)機(jī)體氣流擾動(dòng)對(duì)聲爆測(cè)量的影響，使用中將其裝于F-15B 的頭部。NASA 為支持LBFD 項(xiàng)目X-59 QueSST 低聲爆飛行試驗(yàn)，研制了新一代低聲爆測(cè)量探針Shock Sensing Probe，屬Eagle Aero Probes 改進(jìn)版。為確保能測(cè)量X-59 QueSST 產(chǎn)生的可能比以往強(qiáng)度都低的近場(chǎng)聲爆，將其安裝在F-15 頭部，見(jiàn)圖 15（e）［102］，開(kāi)展了多次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，在約42 000 ft 高度測(cè)量了F/A-18 附近300～500 ft 范圍的聲爆。

綜上所述，聲爆的準(zhǔn)確測(cè)量要求聲爆探針的動(dòng)態(tài)范圍廣、分辨率高且響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮飛行平臺(tái)的匹配，并評(píng)估對(duì)飛行平臺(tái)安全性和飛行性能的影響。聲爆探針在應(yīng)用前需要利用大量風(fēng)洞和飛行試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)和修正評(píng)估。隨著低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展，新一代民用超聲速航空器聲爆強(qiáng)度將顯著降低且傳播特征發(fā)生變化，相應(yīng)的聲爆探針要求具有更低的動(dòng)態(tài)范圍下限、更高的測(cè)試精度、更快的響應(yīng)速度以及更強(qiáng)的飛行平臺(tái)適應(yīng)性，并這方面仍需要持續(xù)的技術(shù)研究，開(kāi)展飛行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3）近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆（激波系）流場(chǎng)成像設(shè)施

近年來(lái)，以紋影成像技術(shù)為代表的流場(chǎng)成像技術(shù)［69，88-90，103］持續(xù)發(fā)展與完善，逐步應(yīng)用于近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆流場(chǎng)的測(cè)量。采用紋影成像技術(shù)，可以直接觀測(cè)航空器周?chē)蠓秶募げê团蛎洸ㄏ档漠a(chǎn)生和演化。NASA 在20 世紀(jì)90 年代就開(kāi)始了近場(chǎng)聲爆紋影成像設(shè)施的研制［69，88-89］，開(kāi)發(fā)了地基的GASPS 系統(tǒng)（Ground to Air Schlieren Photography System）和空基的AirBOS（Air-to-Air Background Oriented Schlieren flights）系統(tǒng)，成功運(yùn)用于聲爆流場(chǎng)飛行測(cè)量。根據(jù)LBFD 項(xiàng)目的飛行試驗(yàn)需求，NASA 開(kāi)發(fā)了新一代地基系統(tǒng)BOSCO（Background Oriented Schlieren using Celestial Objects），并持續(xù)改進(jìn)AirBOS 系統(tǒng)，開(kāi)展了 大量飛 行試驗(yàn)驗(yàn)證［69］。2019 年，NASA 采用安裝于B-200 飛機(jī)上的AirBOS 系統(tǒng)測(cè)量了T-38 飛機(jī)近場(chǎng)聲爆流場(chǎng)，典型結(jié)果見(jiàn)圖 3（b），圖 16 為紋影成像的測(cè)量原理和地基測(cè)量設(shè)施BOSCO［88-89］。

圖16 NASA 的聲爆（激波）流場(chǎng)紋影成像技術(shù)及設(shè)施Fig.16 NASA’s schlieren photographic technique and facilities to measure sonic boom（shock）flowfield

紋影成像類流場(chǎng)測(cè)量設(shè)施既可以在飛行平臺(tái)布置，也可以布置在地面上，通過(guò)少量試驗(yàn)就可得到大范圍的流場(chǎng)信息，但成像設(shè)施相對(duì)復(fù)雜，測(cè)量時(shí)需借助太陽(yáng)光，要求被試對(duì)象飛行航跡應(yīng)在測(cè)量設(shè)施和太陽(yáng)之間，且要求大氣能見(jiàn)度高，一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用。此外，聲爆紋影成像是一種非接觸式間接測(cè)量技術(shù)，成像結(jié)果是基于光線通過(guò)不同密度的大氣的散射規(guī)律來(lái)反演運(yùn)算得到，測(cè)量參數(shù)的數(shù)量和精度低于聲爆探針類的直接測(cè)量法。應(yīng)用于聲爆飛行試驗(yàn)的紋影成像測(cè)量技術(shù)報(bào)道主要來(lái)源于美國(guó)NASA 主導(dǎo)開(kāi)展的研究項(xiàng)目，其它研究機(jī)構(gòu)的應(yīng)用于飛行試驗(yàn)的相關(guān)成果鮮見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

3.2.2 中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)聲爆測(cè)量

聲爆自近場(chǎng)傳播至中遠(yuǎn)場(chǎng)后通常發(fā)生較大演化，測(cè)量區(qū)域遠(yuǎn)離被試對(duì)象，聲爆測(cè)量平臺(tái)以及測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)于近場(chǎng)至中場(chǎng)聲爆測(cè)量的要求不同。中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)聲爆測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)也在于測(cè)量平臺(tái)和測(cè)量設(shè)施的設(shè)計(jì)研制。

中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)聲爆測(cè)量降低了對(duì)測(cè)量平臺(tái)飛行速度與高度的要求，既可以采用低空飛行平臺(tái)和浮空平臺(tái)，也可以采用加高的地面設(shè)施，或者直接借助地形。早期的聲爆飛行試驗(yàn)中，由于缺乏低空飛行/浮空測(cè)量平臺(tái)，采用在地面建設(shè)的高塔上安裝傳聲器的方式進(jìn)行近地面聲爆測(cè)量。美國(guó)空軍在Virginia 的Wallops 島采用1 500 ft 和250 ft 的高塔進(jìn)行了兩架F106 的聲爆測(cè)量，見(jiàn)圖 17［104］。之后，美國(guó)空軍和NASA 還在Nevada 建設(shè)了1 500 ft 的BREN 測(cè)量塔，應(yīng)用于1970 BREN Tower Tests項(xiàng)目［42-43，80］。隨著低空飛行/浮空測(cè)量平臺(tái)的出現(xiàn)，大量飛行試驗(yàn)項(xiàng)目采用低空亞聲速飛行的通用飛機(jī)、滑翔機(jī)和飛艇等進(jìn)行聲爆測(cè)量［21，48-49，55，64］。NASA 的SR-71 SBPE 項(xiàng)目［46，48］和NASA/Wyle等的SCAMP 項(xiàng)目［54-55］分別采用YO-3A、TG-14飛機(jī)攜帶前支桿傳聲器裝置進(jìn)行中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)聲爆測(cè)量，DARPA 的QSP-SSBD 項(xiàng)目［49］采用安裝于L-13 滑翔機(jī)上的前支桿傳聲器裝置測(cè)量中遠(yuǎn)場(chǎng)近地面的入射和反射聲爆。圖 2（b）為典型低空測(cè)量飛行平臺(tái)及其加裝的聲爆測(cè)量前支桿傳聲器裝置［54］。JAXA 的D-SEND 系列項(xiàng)目［16，21］使用圖 2（c）所示的3 組以飛艇作為測(cè)量平臺(tái)的ABMS測(cè)量地面至1 km 高度的聲爆，每組ABMS 系留繩上布置4 套傳聲器以及數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備、飛行控制設(shè)施、GPS、無(wú)線通信設(shè)施和空中氣象測(cè)量單元。NASA/Wyle 的SCAMP 項(xiàng)目［54-55］采用2 套以飛艇作為測(cè)量平臺(tái)的AADC 系統(tǒng)（Airborne Acoustic Data Collection System）對(duì)聚焦聲爆進(jìn)行測(cè)量，每套AADC 系統(tǒng)安裝有3 套傳聲器以及GPS 設(shè)備、數(shù)據(jù)采集記錄器和飛行控制設(shè)施。從上述應(yīng)用案例看，基于測(cè)量飛行平臺(tái)進(jìn)行中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)聲爆測(cè)量的技術(shù)仍然面臨飛行平臺(tái)設(shè)計(jì)研制成本高和飛行保障復(fù)雜的問(wèn)題。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，其具有體積小、飛行靈活、成本低等優(yōu)勢(shì)，在航空聲學(xué)飛行測(cè)量領(lǐng)域得到了一定的成熟應(yīng)用［105］，為一種可用于聲爆飛行測(cè)量的新型平臺(tái)。

圖17 美國(guó)空軍采用高塔進(jìn)行F106 近地面聲爆測(cè)量［104］Fig.17 U.S.Air Force’s tower to measure near-ground sonic boom of F106［104］

由于測(cè)量平臺(tái)飛行高度和速度降低，聲爆測(cè)量多采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、動(dòng)態(tài)范圍廣、頻率響應(yīng)快的可安裝于機(jī)身外部支桿或浮空器牽引繩索上的傳聲器裝置。盡管中遠(yuǎn)場(chǎng)聲爆可以采用與地面聲爆測(cè)量同類的傳聲器，但技術(shù)要求存在不同之處，一是需要研制可安裝在測(cè)量平臺(tái)上的支桿，進(jìn)行支桿空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與分析以修正其對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾；二是傳聲器的選擇需考慮頻響特性與動(dòng)態(tài)范圍的差異以及環(huán)境適應(yīng)性；三是需要設(shè)計(jì)用于整流的鼻錐或結(jié)構(gòu)，以消除或修正氣流干擾。近年來(lái)，噪聲和動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展［106-107］，頻響特性優(yōu)異的電容式傳聲器和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍廣的壓電/壓敏式傳聲器均可應(yīng)用于空中聲爆測(cè)量。傳聲器鼻錐設(shè)計(jì)也趨于成熟［108-109］，提高了傳聲器對(duì)飛行或風(fēng)洞高速氣流環(huán)境的適應(yīng)性和測(cè)量能力。但是，前支桿傳聲器裝置設(shè)計(jì)方案多樣，尤其是加裝鼻錐或整流裝置后，如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和測(cè)量修正仍是技術(shù)難點(diǎn)，當(dāng)前依賴于不完備的風(fēng)洞試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納方法，影響了聲爆的絕對(duì)測(cè)量精度，相關(guān)的技術(shù)研究還需要進(jìn)一步開(kāi)展。

3.3 輔助測(cè)量

聲爆飛行試驗(yàn)除了進(jìn)行全傳播路徑的聲爆測(cè)量外，還需同時(shí)進(jìn)行被試對(duì)象和測(cè)量平臺(tái)的飛行狀態(tài)、飛行航跡、地面至空中大氣條件以及其他與聲爆測(cè)試相關(guān)的參數(shù)的綜合輔助測(cè)量［8，21，55］。

被試對(duì)象和測(cè)量平臺(tái)的飛行狀態(tài)可采用機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)和必要的地面輔助設(shè)施來(lái)測(cè)量，通過(guò)加裝的測(cè)量設(shè)施實(shí)測(cè)和總線參數(shù)抽引相結(jié)合，參數(shù)測(cè)量一般采用統(tǒng)一的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（如GPS、北斗系統(tǒng)）時(shí)間基，這類測(cè)量技術(shù)是飛行試驗(yàn)的通用技術(shù)。

飛行航跡或飛機(jī)位置測(cè)量有光學(xué)測(cè)量法、慣性導(dǎo)航測(cè)量法、雷達(dá)追蹤法和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè)量法等。在美國(guó)早期開(kāi)展的SBFT 和NSBEP項(xiàng)目中［33-35］，近場(chǎng)聲爆測(cè)量平臺(tái)與試驗(yàn)對(duì)象的相對(duì)距離采用光學(xué)測(cè)量法，光學(xué)相機(jī)被安裝于伴飛平臺(tái)上，通過(guò)比例成像原理進(jìn)行距離計(jì)算。光學(xué)測(cè)量方法、雷達(dá)追蹤法等的測(cè)量范圍有限，精度控制困難，高空中還需要飛行測(cè)量平臺(tái)，成本高昂。隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（如GPS、北斗系統(tǒng)）的建設(shè)完善，基于差分定位的飛行航跡/位置測(cè)量技術(shù)成熟，測(cè)試設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)單且加改裝難度低，測(cè)量范圍大、精度高，在飛行試驗(yàn)中得到大量應(yīng)用［21，54-55］。

地面至空中大氣條件測(cè)量對(duì)于聲爆飛行試驗(yàn)也很重要，已開(kāi)展的飛行試驗(yàn)項(xiàng)目主要采用無(wú)線電探空儀、氣象氣球或微波輻射計(jì)等測(cè)量空中氣象五要素（壓力、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向和相對(duì)濕度），地面則采用常見(jiàn)的地面氣象站測(cè)量，圖 18（a）為NASA/Wyle 的SCAMP 項(xiàng)目采用的地面氣象站和氣象氣球［55］，圖 18（b）為中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院在飛行試驗(yàn)中采用的地面氣象站和空中氣象測(cè)量設(shè)施微波輻射計(jì)［29］。JAXA 的D-SEND 項(xiàng)目直接將氣象測(cè)量系統(tǒng)集成在ABMS 系統(tǒng)中［16，21］。

圖18 聲爆飛行試驗(yàn)中常見(jiàn)的氣象測(cè)量設(shè)施Fig.18 Common meteorological testing facilities in sonic boom flight tests

聲爆飛行試驗(yàn)中還需要其它必要的輔助測(cè)量手段。如NASA 采用了實(shí)時(shí)綜合數(shù)據(jù)分析與座艙顯示技術(shù)輔助開(kāi)展飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)施及其應(yīng)用見(jiàn)圖 2（d）［59］，試驗(yàn)人員和飛行人員根據(jù)座艙實(shí)時(shí)顯示結(jié)果設(shè)計(jì)和控制試驗(yàn)點(diǎn)，有效提高了試驗(yàn)?zāi)芰托?。航空器超聲速飛行時(shí)，結(jié)構(gòu)幾何變形對(duì)聲爆的產(chǎn)生影響較大，NASA 的LBFD 項(xiàng)目研發(fā)了機(jī)載FOSS（Armstrong’s Fiber Optic Sensing System）系統(tǒng)［110］以測(cè)量機(jī)體幾何變形量，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)翼尖彎扭變形。

4 結(jié)論與展望

開(kāi)展聲爆飛行實(shí)測(cè)是聲爆研究的必要手段，是新技術(shù)探索和演示驗(yàn)證的重要途徑，也是航空器表明符合適航規(guī)章或設(shè)計(jì)定型標(biāo)準(zhǔn)的必經(jīng)之路。本文圍繞新一代超聲速航空器聲爆研究熱點(diǎn)，對(duì)聲爆飛行試驗(yàn)的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行綜述，歸納聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)的研究進(jìn)展，總結(jié)了自近場(chǎng)、中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)（地面）的全傳播路徑聲爆測(cè)量技術(shù)方案，分析了地面、空中聲爆測(cè)量以及輔助測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)。

1）新一代低聲爆航空器技術(shù)的探索與研制促使聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)研究成為航空界的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)也對(duì)聲爆精細(xì)化飛行測(cè)量提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2）聲爆測(cè)量缺乏全傳播路徑都有效的統(tǒng)一測(cè)量手段，依賴近場(chǎng)至中場(chǎng)、中場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)和地面的不同測(cè)量平臺(tái)及設(shè)施進(jìn)行組合測(cè)量，技術(shù)方案復(fù)雜，還需要同步測(cè)量大氣條件、被試對(duì)象/測(cè)量平臺(tái)飛行狀態(tài)和飛行航跡，依賴特殊的飛行空域、測(cè)量場(chǎng)地和飛行保障設(shè)施等資源，涉及的技術(shù)面廣，動(dòng)用資源多，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

3）聲爆飛行試驗(yàn)測(cè)量的技術(shù)難點(diǎn)在于試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、空中/地面專用測(cè)量設(shè)施設(shè)計(jì)、試驗(yàn)對(duì)象/飛行測(cè)量平臺(tái)研制等方面，相關(guān)技術(shù)和設(shè)施向空地一體化、精細(xì)化與智能化方向快速發(fā)展，當(dāng)前地面聲爆測(cè)試設(shè)施、空中聲爆測(cè)量的聲爆探針和成像設(shè)施的測(cè)量精度、測(cè)量范圍、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性還有待進(jìn)一步提升。

4）隨著新一代超聲速航空器的設(shè)計(jì)研制步伐加快，人工智能技術(shù)、新材料技術(shù)和新概念傳感技術(shù)、空地一體測(cè)量技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新概念飛行技術(shù)等的發(fā)展將為聲爆測(cè)量技術(shù)發(fā)展提供新方向和新思路，需要通過(guò)飛行試驗(yàn)進(jìn)行新技術(shù)的探索與驗(yàn)證。

當(dāng)前，中國(guó)開(kāi)展了大量的航空器聲爆問(wèn)題研究，進(jìn)行了大量的聲爆理論、預(yù)測(cè)方法和低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)探索，但在通過(guò)飛行試驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)探索和演示驗(yàn)證方面發(fā)展相對(duì)滯后，開(kāi)展全傳播路徑聲爆測(cè)量飛行試驗(yàn)的能力和資源不足。聲爆飛行試驗(yàn)的方案復(fù)雜，技術(shù)投入高，其本身也需要技術(shù)探索和試驗(yàn)驗(yàn)證，技術(shù)發(fā)展和資源建設(shè)需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因此，基于對(duì)航空器聲爆飛行試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展的綜述分析，針對(duì)國(guó)內(nèi)聲爆飛行試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展提出以下建議：

1）緊扣當(dāng)前聲爆問(wèn)題和超聲速民機(jī)技術(shù)探索的需求，進(jìn)行聲爆飛行試驗(yàn)平臺(tái)和飛行測(cè)量平臺(tái)的研制技術(shù)研究，探索建設(shè)聲爆飛行試驗(yàn)平臺(tái)和飛行試驗(yàn)資源。

2）開(kāi)展全傳播路徑聲爆測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)技術(shù)自主可控的地面大型聲爆測(cè)量陣列設(shè)施和空中聲爆測(cè)量設(shè)施，尤其是急需填補(bǔ)聲爆探針、機(jī)載支桿傳聲器裝置等關(guān)鍵設(shè)施空白，形成航空器聲爆飛行測(cè)量的基本能力。

3）基于現(xiàn)有超聲速殲擊機(jī)平臺(tái)進(jìn)行改造或設(shè)計(jì)研制低成本演示驗(yàn)證模型，開(kāi)展多狀態(tài)的聲爆飛行實(shí)測(cè)，積累飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，為低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)探索、聲爆預(yù)測(cè)工具開(kāi)發(fā)等提供支撐。