趙迪

目前，美國國家航空航天局（NASA）的工程師們正在努力定義一個較低音爆的新標準，波音公司和洛克希德·馬丁公司也最新公布了他們超聲速飛機的概念圖——有趣的是，由洛馬公司設(shè)計的超聲速飛機，水綠嫩白的機身和削尖的整體造型，一公布就被廣大網(wǎng)友昵稱為“蔥上云霄”。在2014美國航空航天學院年展上，亦出現(xiàn)了一款新型超聲速客機。該機能夠有效降低超聲速飛行所產(chǎn)生的音爆。NASA等機構(gòu)現(xiàn)正在鋪就一條超聲速旅行的回歸之路。

難舍“超聲速”

直到現(xiàn)在，超聲速旅行都還是個令人熱血沸騰的詞匯。其實早在上世紀60年代，它就已經(jīng)落實于研究中。曾幾何時，乘坐協(xié)和式飛機進行一次跨越大西洋的超聲速之旅，是西方名流們彰顯身份的熱門方式之一。然而，盡管在運輸效率上開創(chuàng)了新的紀元，安全性方面也總體表現(xiàn)良好，但協(xié)和式飛機始終沒有擺脫高成本、設(shè)計缺陷等諸多問題的困擾。最終，在一次機毀人亡的意外事故之后，“協(xié)和”飛機于2003年退出了民用航空的舞臺。

“協(xié)和”式客機的隱退，并沒有終結(jié)人們對于超聲速民用航空的懷念與追逐。近年來更是不斷有公司展示各自原創(chuàng)的未來超聲速飛機。不過在將構(gòu)想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實之前，他們都必須解決一個協(xié)和式飛機當年就曾面臨的問題——音爆。

音爆降低讓超聲速客機回歸

當物體接近聲速時，會有一股強大的阻力，使物體產(chǎn)生強烈的振蕩，速度衰減，這一階段被稱為音障。當突破音障時，由于物體本身對空氣的壓縮無法迅速傳播，逐漸在物體的迎風面積累而終形成激波面，其上集中了高度的聲學能量。此時，人們會感受到短暫而極其強烈的爆炸聲，稱為音爆。

音爆釋放的能量巨大。當飛機作低空超聲速飛行時，不但地面的人畜能聽到震耳欲聾的巨響，影響人們的生活和工作，嚴重的還可以震碎玻璃，甚至損壞不堅固的建筑物，造成直接損失。因此NASA禁止在陸地上空超聲速飛行，其他國家管制陸地線路的航空機構(gòu)也是如此。

從這個角度而言，降低音爆是超聲速飛行器回歸的重要前提之一。目前，業(yè)界使用“感知分貝水平”（PLdB）來測量音爆的大小。以協(xié)和式飛機為例，它的水平達到了105，足以震顫地面居民的窗玻璃。研究人員普遍認為，75是陸地上空超聲速飛行的可接受值。

但NASA有志于將其水平降到70甚至更低——這并非易事，因為音爆與飛行器重量成正比關(guān)系。小型飛機或許可以輕松實現(xiàn)，但大型載人客機則要困難得多。波音和洛克希德·馬丁公司的設(shè)計在風洞試驗中的數(shù)據(jù)是79，已經(jīng)被認為是相當出色的表現(xiàn)，但NASA依然堅持“70-”的高標準，并且不斷加快技術(shù)攻關(guān)的進程。因為在NASA以及許多工程技術(shù)專家看來，經(jīng)過多年的積累，當前超聲速研究領(lǐng)域的發(fā)展水平，已經(jīng)足以支持實用性低音爆飛行器的設(shè)計與開發(fā)。

此前，NASA已經(jīng)在加州的阿姆斯特朗飛行研究中心試飛了小型樣機，以此收集和聽取參與實驗的公眾對噪聲水平的意見。此外，NASA還不斷改良機體的外形設(shè)計，包括更加細長的機首、更加平滑的機身以及有利降低音爆的三角翼等等。NASA表示，“更安靜的超聲速飛機”將逐步解除不允許在陸地上空進行超聲速飛行的行業(yè)禁令。

不僅NASA一家，波音公司、洛克希德·馬丁公司、Aerion、斯派克宇航等企業(yè)當前也在推進研究的步伐。維珍銀河航空的老板理查德·布蘭森更是宣稱，即將造出時速一萬九千英里的產(chǎn)品。行業(yè)分析普遍認為，新型超聲速民用客機，有望在未來的15年內(nèi)投入使用。

異曲同工的雙翼超聲速客機

在美國，除了擁有強大實力的制造企業(yè)之外，美國一些大學的科研團隊也在尋求未來超聲速客機的解決之道。2012年的時候， 美國麻省理工學院和斯坦福大學的一個聯(lián)合科研團隊提出了一種雙機翼設(shè)計方案，并聲稱該方案可以解決“協(xié)和”式超聲速噴氣客機存在的很多問題。該研究團隊已經(jīng)通過計算機模擬證明，在以超聲速航行時，經(jīng)過改裝后的雙翼產(chǎn)生的阻力比傳統(tǒng)的單翼飛機要小得多。不過，與上述洛馬公司、波音公司的方案異曲同工的地方在于，這種雙翼設(shè)計的最初目標也是為了使飛機產(chǎn)生的音波爆更小。

在這種雙翼設(shè)計方案中，客機的每一側(cè)都有兩個機翼，一個機翼置于另一個機翼的上方，這種設(shè)計可以消減每個機翼各自產(chǎn)生的沖擊波。一般而言，當傳統(tǒng)飛機接近聲速時，飛機前后的空氣就開始壓縮。隨著飛機的航行速度達到并且超過聲速，空氣壓力的突然增加會產(chǎn)生兩個大的沖擊波，這兩個沖擊波會向外輻射到飛機末尾兩端，產(chǎn)生超音波爆聲。而該聯(lián)合團隊的研究人員通過計算發(fā)現(xiàn)，雙翼設(shè)計能消除沖擊波。

不過，研究人員在計算和測試中也發(fā)現(xiàn)，這種雙翼設(shè)計的兩個機翼間會制造出一個非常狹窄的通道，只能容納很少量的空氣通過其中，當飛機以超聲速時，這一通道會被堵塞，從而產(chǎn)生巨大的阻力。這一問題如果不解決，該方案根本不能實現(xiàn)超聲速飛行。為了解決阻力問題，該研究團隊設(shè)計了一套計算機模型來模擬雙翼飛機以不同的速度飛行時的情況。在給定的速度下，這種模型能確定最優(yōu)的機翼形狀以讓阻力最小。研究人員先后將幾十個不同的速度、700種機翼設(shè)計產(chǎn)生的結(jié)果匯總，為每個機翼設(shè)計出了最優(yōu)的形狀。根據(jù)測試結(jié)果研究人員發(fā)現(xiàn)，把上下兩個機翼的內(nèi)表面設(shè)計的更為平整就會制造出一條更寬的通道，空氣能夠流經(jīng)其中。而且，通過讓上方機翼的上邊緣、下方機翼的底邊緣凸出，可以使這種雙翼飛機能以超聲速飛行，其產(chǎn)生的阻力僅為傳統(tǒng)超聲速噴氣客機的一半。

激進的歐洲人

與美國相比，歐洲人在超聲速客機研制方面顯得更為激進，畢竟世界上第一種投入商業(yè)運營的超聲速客機就出自歐洲。3年前，已經(jīng)更為名空客集團的EADS對外公布了一款名為ZEHST的超聲速客機方案，該方案在外形上“協(xié)和”式超聲速客機非常相似，其細長機身、大三角翼、無平尾的氣動布局，具有翼身融合特征，這樣即可以減小機身的氣動阻力，同時大三角翼在飛行時能夠產(chǎn)生非常高的氣動效率，使飛機更適合超聲速飛行。此外，大三角翼因為加強了結(jié)構(gòu)和氣動穩(wěn)定性，還可以提高飛機的安全性能，這對民航客機來說尤為重要。不過，歐洲人給ZEHST提出的速度目標是超過“協(xié)和”式客機的2倍，即最大可以達到4倍聲速。

為了達到4倍聲速的設(shè)計目標，ZEHST將內(nèi)部結(jié)構(gòu)上分為三大部分，從機頭向后依次是機頭和駕駛艙段、增壓客艙段以及動力段，而動力段則集成了其高速飛行所依賴的全套動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括3種類型的7臺發(fā)動機，2臺傳統(tǒng)的航空噴氣發(fā)動機主要是在飛機起飛和降落時候使用，這樣就可以保證飛機能夠在正常的機場跑道上起降；飛機起飛升空后，機身后部的3臺低溫火箭發(fā)動機就會點火工作，推動飛機加速并爬升，最終使飛機加速到4倍聲速，飛行高度達到32千米；飛機達到既定的速度和高度之后，機翼下的2臺大推力沖壓火箭發(fā)動機開始工作，使飛機保持上述飛行高度和速度繼續(xù)前行，并到達目的地，然后使用2臺傳統(tǒng)的航空發(fā)動機實現(xiàn)著陸。據(jù)EADS提供的資料顯示，ZEHST以倫敦為出發(fā)地，到達土耳其需要30分鐘，抵達美國西海岸城市需要1小時，到達日本東京需要2小時，到澳大利亞悉尼也只需要3.5小時。

為了降低污染，ZEHST客機上的發(fā)動機使用的燃料主要有兩種，一種是用藻類制造的生物燃料，這是一種低碳燃料，排放物非常少，這種燃料主要用于2臺傳統(tǒng)的航空發(fā)動機；另一種是液氫液氧，主要用于5臺火箭發(fā)動機，排放物為水蒸氣，沒有污染。而為了解決超聲速飛行時產(chǎn)生的音爆，ZEHST選擇了飛得更高，其在起飛之后很短的時間內(nèi)就達到了32千米高度，即使在城市上空飛行，人們在地面上也很難聽到它的聲音，噪聲污染幾乎為零。不過，由于方案更為激進，各方面的技術(shù)指標更高，所以歐洲人認為ZEHST在2050年前后能投入使用就已經(jīng)不錯了。