曾經(jīng)的輝煌
追求超音速飛行是人類長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。上世紀(jì)60年代，英法兩國(guó)聯(lián)合研制的“協(xié)和”客機(jī)問(wèn)世，飛行速度達(dá)到兩倍音速，標(biāo)志著這一夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)。
1969年，“協(xié)和”客機(jī)首飛，1976年投入航線運(yùn)營(yíng)。“協(xié)和”客機(jī)可以在15000米的高空，以2.02倍音速巡航，從巴黎飛抵紐約僅需3小時(shí)20分鐘，比普通民航客機(jī)節(jié)省一半時(shí)間。1996年2月7日，一架“協(xié)和”客機(jī)僅用2小時(shí)52分鐘59秒的時(shí)間，就從倫敦飛抵紐約，創(chuàng)下了民航運(yùn)輸史上的最快紀(jì)錄。
當(dāng)時(shí)，能夠搭乘“協(xié)和”客機(jī)往返歐美大陸是許多人夢(mèng)寐以求的事。有趣的是，“協(xié)和”客機(jī)從巴黎或倫敦飛抵紐約只需3個(gè)多小時(shí)，而巴黎、倫敦與紐約的時(shí)差卻有6個(gè)小時(shí)，如果旅客上午9時(shí)從巴黎出發(fā)，到達(dá)紐約時(shí)，巴黎時(shí)間為12時(shí)，而紐約當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間則為上午6時(shí)，搭乘“協(xié)和”的旅客都會(huì)很高興地說(shuō)：“我們還沒(méi)出發(fā)，就已經(jīng)到了！”
“協(xié)和”投入航線運(yùn)營(yíng)后，吸引了一大批常常往返于美國(guó)和英法兩國(guó)間的工商界、政界高級(jí)人士和銀行家等客人。“協(xié)和”客機(jī)的服務(wù)可以用“優(yōu)質(zhì)”、“高貴”來(lái)形容，每位乘客都可以免費(fèi)享用香檳，機(jī)上膳食使用的餐具，都是由具有250余年歷史的著名制造商生產(chǎn)的陶瓷器和銀餐具，在人們的心目中，大大提升了“協(xié)和”客機(jī)高貴奢華的形象。
當(dāng)然，它的票價(jià)也是水漲船高，十分昂貴。雖然“協(xié)和”客機(jī)的客座數(shù)較少，運(yùn)營(yíng)成本較高，但仍可盈利。在輝煌時(shí)期，英航“協(xié)和”客機(jī)獲利占英航總盈利的25%。自1976年至2003年，英國(guó)航空公司的“協(xié)和”客機(jī)共飛行5萬(wàn)余個(gè)班次，累計(jì)飛行時(shí)間14萬(wàn)多小時(shí)，航程22400萬(wàn)公里，搭載旅客250萬(wàn)人次。
無(wú)奈的瓶頸
從技術(shù)層面看，“協(xié)和”無(wú)疑是一架先進(jìn)的客機(jī)，英法驕傲地將其比作一只“完美的大鳥(niǎo)”。看著“協(xié)和”又尖又長(zhǎng)的機(jī)頭，人們不難想象其突破音障飛入高空時(shí)的英姿。
然而，事情總有兩面性，“協(xié)和”客機(jī)由于其優(yōu)越的高速特性而被人們青睞，但恰恰又是超音速飛行帶來(lái)的噪聲和環(huán)保問(wèn)題，使它陷入難以自拔的困境。“協(xié)和”產(chǎn)生噪聲的直接原因，就是由于超音速飛行所產(chǎn)生的聲爆。
聲爆是物體在空氣中運(yùn)動(dòng)的速度突破音速時(shí)產(chǎn)生沖擊波所引起的巨大響聲，它只有在飛機(jī)作超音速飛行時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。飛機(jī)在超音速飛行時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)壓力波，傳到地面上形成如同雷鳴的爆炸聲。聲爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰(zhàn)斗機(jī)產(chǎn)生的聲爆足以震碎門(mén)窗玻璃。
有人測(cè)量過(guò)，一架在16000米高空以兩倍音速飛行的“協(xié)和”客機(jī)產(chǎn)生的聲爆，對(duì)地面產(chǎn)生的壓強(qiáng)高達(dá)100帕，相當(dāng)于在一塊一平方米左右的玻璃窗上施加10千克的力，玻璃嘩嘩直響就不難理解了。如果把壓強(qiáng)換算成更直觀的聲強(qiáng)，100帕大約相當(dāng)于133分貝，而人耳的聽(tīng)覺(jué)上限一般是120分貝，超過(guò)120分貝的聲音就可能破壞耳膜和聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，引起耳聾。于是，聲爆問(wèn)題就成了超音速客機(jī)發(fā)展的“瓶頸”。
由于上述原因，F(xiàn)AA禁止“協(xié)和”客機(jī)在陸地上空進(jìn)行超音速飛行，這直接斷送了這款飛機(jī)的市場(chǎng)前景。2003年10月24日，“協(xié)和”客機(jī)完成最后一次飛行后全部退出市場(chǎng)。
今日的探索
針對(duì)“協(xié)和”的教訓(xùn)，NASA認(rèn)為，只有降低聲爆，才有可能使超音速客機(jī)重新回歸商業(yè)運(yùn)營(yíng)。為此，NASA就如何降低超音速客機(jī)在突破音障時(shí)發(fā)出的聲爆問(wèn)題開(kāi)展了深入研究。這項(xiàng)研究主要分成兩大部分：一是制定出一個(gè)人們能夠接受的低聲爆標(biāo)準(zhǔn)；二是設(shè)計(jì)出一種能符合該低聲爆標(biāo)準(zhǔn)的超音速客機(jī)。
首先，NASA采用目前業(yè)界統(tǒng)一使用的“感覺(jué)噪聲等級(jí)”（PLdB）來(lái)量化聲爆的大小。以“協(xié)和”為例，其PLdB的數(shù)值達(dá)到105，很難被人們接受。研究人員認(rèn)為，75是陸地上空超音速飛行的可接受值，而NASA則要求將其降到70甚至更低。
其次，為了研制出一架能夠達(dá)到低聲爆水平的新一代超音速客機(jī)，NASA制定了X系列驗(yàn)證機(jī)開(kāi)發(fā)計(jì)劃。未來(lái)10年，NASA在該計(jì)劃上的投資將超過(guò)106億美元。
根據(jù)計(jì)劃要求，洛克希德·馬丁研制了“安靜超音速技術(shù)低聲爆飛行驗(yàn)證機(jī)(QueSST)”。這架飛機(jī)是按NASA提供的價(jià)值2000萬(wàn)美元的合同開(kāi)展初步設(shè)計(jì)，將在2017年4月進(jìn)行初步設(shè)計(jì)評(píng)審。然后，NASA將采取公開(kāi)競(jìng)標(biāo)的方式選擇制造商開(kāi)展QueSST飛機(jī)的制造工作，計(jì)劃于2019年9月完成首飛。
QueSST驗(yàn)證機(jī)長(zhǎng)27.4米，重9.072噸，巡航速度為1.4-1.45馬赫，巡航高度為14935-15545米，安裝一臺(tái)帶加力燃燒室的GE公司F404戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)雖然在尺寸上與大型運(yùn)輸機(jī)相差不少，但可以模擬100-120座級(jí)的超音速大型客機(jī)的聲壓特征。
NASA的研究表明，新一代超音速客機(jī)使用針狀的鼻椎、更加圓滑的機(jī)身、三角翼和大后掠角翼，這些氣動(dòng)外形在降低聲爆上有著突出的效果。
QueSST飛機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一,是產(chǎn)生噪聲等級(jí)僅為75PLdB的S型激波，即正弦型激波，使得激波柔軟地撞擊地面而不產(chǎn)生聲爆。相比之下，“協(xié)和”客機(jī)產(chǎn)生的N型激波則會(huì)猛烈地撞擊地面，噪聲等級(jí)高達(dá)105PLdB。
在傳統(tǒng)超音速客機(jī)設(shè)計(jì)中，分別來(lái)自機(jī)頭、座艙蓋、進(jìn)氣口、機(jī)翼和尾翼的激波在大氣中傳播時(shí)會(huì)聚集，進(jìn)而產(chǎn)生更強(qiáng)的N型激波。低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)就是通過(guò)對(duì)飛機(jī)外形進(jìn)行優(yōu)化，使機(jī)身不同部位產(chǎn)生強(qiáng)度更小的激波。同時(shí)，這些激波也不會(huì)產(chǎn)生匯聚。也就是說(shuō)，將N型激波的壓力峰值變小，成為S型激波，從而聲音到達(dá)地面時(shí)會(huì)聽(tīng)起來(lái)比較“柔軟”。
QueSST飛機(jī)在外形上具有一些明顯特征：一個(gè)穿越音速時(shí)破除弓形激波的細(xì)長(zhǎng)尖頭的機(jī)身，一副可屏蔽噪聲的小展弦比三角翼，一臺(tái)安裝在機(jī)翼上的發(fā)動(dòng)機(jī)，鴨翼和用于控制激波的垂尾頂部小平尾，位于細(xì)長(zhǎng)機(jī)身最后端的升力平尾等。
這些外形設(shè)計(jì)的目的就是為了讓飛機(jī)突破音障時(shí)所產(chǎn)生的聲爆等級(jí)能夠達(dá)到75PLdB的目標(biāo)。為了提供升力需求，在機(jī)身最后端布置了一個(gè)升力平尾，這與常規(guī)飛機(jī)的平尾為配平力矩而產(chǎn)生向下的力是不同的。
此外，洛克希德·馬丁公司的設(shè)計(jì)方案還必須滿足可縮放的要求，即要使試驗(yàn)結(jié)果與大型飛機(jī)具有可比性而需要將QueSST飛機(jī)的噪聲峰值頻率控制在8赫茲，并且保持兩者的聲爆波形相似。
根據(jù)目前的進(jìn)展，NASA預(yù)計(jì)，符合低聲爆標(biāo)準(zhǔn)的新一代超音速客機(jī)有望在未來(lái)10年左右實(shí)現(xiàn)首飛，未來(lái)15年內(nèi)投入使用，人們追求超音速飛行的夢(mèng)想會(huì)在不久的將來(lái)真正實(shí)現(xiàn)。（文/王維瀚）
