[科普中國]-超音速運(yùn)輸機(jī)

發(fā)展歷史跨越音速

對于民用飛機(jī)而言，如今是亞音速飛機(jī)一統(tǒng)天下的時(shí)代。波音和空客研制的大型噴氣客機(jī)，其最大巡航速度都在0.85～0.90馬 赫（900～950千米/小時(shí)，因而被稱為高亞音速飛機(jī)。要進(jìn)一步提高它們的飛行速度，那就必須進(jìn)行超音速飛行，這時(shí)，我們將遇見音障問題。

音障，又稱聲障。20世紀(jì)40年代后期，人們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在飛行速度達(dá)到音速的十分之九（0.9馬 赫，約 950千米/小時(shí)）時(shí)，飛機(jī)上的局部氣流速度可能就達(dá)到音速，產(chǎn)生局部激波，從而使氣動(dòng)阻力劇增。更嚴(yán)重的是，激波會(huì)使流經(jīng)機(jī)翼和機(jī)身表面的氣流變得非常紊亂，從而使飛機(jī)劇烈抖動(dòng)，操縱十分困難。這就是所謂的音障問題。20世紀(jì)50年代，隨著噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功和飛機(jī)氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的改進(jìn)，人們終于突破了音障，跨越音速，成功進(jìn)入超音速飛行時(shí)代。超音速技術(shù)首先被應(yīng)用在軍用飛機(jī)上，隨著人們對提高民用飛機(jī)飛行速度的渴望越來越強(qiáng)烈，超音速客機(jī)終于應(yīng)運(yùn)而生。1

曾經(jīng)圓夢20世紀(jì)60年代初，在人們對超音速客機(jī)市場前景十分看好的形勢下，捷足先登的是英法兩國。1962年，英法兩國簽署了一項(xiàng)政府合作協(xié)議，決定聯(lián)合研制超音速客機(jī)。1963年1月，法國總統(tǒng)戴高樂將這款飛機(jī)命名為“協(xié)和”。1976年1月21日，“協(xié)和”正式投入商業(yè)運(yùn)營。英國航空公司的“協(xié)和”客機(jī)共飛行了差不多5萬個(gè)班次，總計(jì)飛行時(shí)間達(dá)到14萬個(gè)小時(shí)，航程為22400 萬公里。在 近 30 年 中， 共 有 250萬人次乘坐過“協(xié)和”客機(jī)，其中包括：英國王太后，她曾在“協(xié)和”客機(jī)上慶祝自己的85 歲生日；英國前首相托尼 ·布萊爾，他曾乘坐“協(xié)和”客機(jī)前往華盛頓與美國前總統(tǒng)布什會(huì)談；搖滾明星菲爾 · 柯林斯，他曾于 1985 年乘坐“協(xié)和”客機(jī)到大洋彼岸，出席在同一天舉行的兩場現(xiàn)場音樂會(huì)……人們終于圓了快速飛行的超音速客機(jī)夢。

與“協(xié)和”飛機(jī)同時(shí)期出現(xiàn)的另一款超音速客機(jī)是前蘇聯(lián)的Tu-144客機(jī)。由圖波列夫設(shè)計(jì)局研制的Tu-144在外形上與“協(xié)和”非常接近，并被西方戲稱為“協(xié)和斯基”。但實(shí)際上，兩者有很大的不同。兩款超音速客機(jī)在外觀上最大的區(qū)別是“協(xié)和”飛機(jī)采用 S 形前緣三角翼，而Tu-144 采用的是雙三角翼.Tu-144 的原型機(jī)于1968年12月31日在莫斯科附近首次試飛，比“協(xié)和”的首飛早了兩個(gè)多月。其最大巡航速度為2.35馬 赫，最大航程6500千米。這些指標(biāo)都優(yōu)于“協(xié)和”。1

遭遇挫折然而，嶄露頭角的超音速客機(jī)命運(yùn)多舛，分別發(fā)生在Tu-144 和“協(xié)和”飛機(jī)上的兩次重大飛行事故，令超音速客機(jī)遭遇滅頂之災(zāi)。

1973年6月3日，一架Tu-144在參加巴黎航展時(shí)突然墜毀，這是超音速客機(jī)第一次發(fā)生重大事故。

2000年7月25日，法國航空公司的一架“協(xié)和”在戴高樂機(jī)場滑行起飛時(shí)失事，造成機(jī)上100名乘客、9名機(jī)組成員全部遇難。

此后波音公司于2001年提出聲速巡航者(Sonic Cruiser)概念聲速客機(jī),其設(shè)計(jì)速度比現(xiàn)不少民航客機(jī)快，接近聲速的水平。但由于設(shè)計(jì)難度太大，該計(jì)劃在耗費(fèi)了數(shù)十億美元后被迫下馬，最終只停留在圖紙上。

導(dǎo)致超音速客機(jī)退出歷史舞臺(tái)的還有更深層次的原因，如經(jīng)濟(jì)性差、載客量偏小、運(yùn)營成本較高以及噪音等問題。其中，最嚴(yán)重的是噪音問題，即由超音速飛行所產(chǎn)生的音爆問題。由于音爆嚴(yán)重?cái)_民，許多機(jī)場拒絕“協(xié)和”飛機(jī)起降。美國聯(lián)邦航空局（FAA）明確規(guī)定，不允許超音速客機(jī)在美國本土內(nèi)跨大陸飛行，最終導(dǎo)致超音速客機(jī)成為“禁止在陸地上空飛行”的飛機(jī)。

“音爆”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。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。音爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰(zhàn)斗機(jī)產(chǎn)生的音爆足以震碎門窗玻璃。有人測量過,一架在16000米高空以2馬赫速度飛行的協(xié)和客機(jī)產(chǎn)生的音爆對地面的壓強(qiáng)高達(dá)100帕，相當(dāng)于給一塊一平米左右的玻璃窗施加10公斤的力，玻璃嘩嘩直響就不足為奇了。

2003年10月24日，“協(xié)和”在完成最后一次飛行后，正式退出市場。從此，天空中不再有超音速客機(jī)的身影。1

研究挑戰(zhàn)經(jīng)濟(jì)性一般亞聲速客機(jī)的升阻比都在20左右這一量級，超聲速飛機(jī)一般超不多10。超聲速客機(jī)為減租通常機(jī)身細(xì)而長，載客量明顯小于亞聲速寬體客機(jī)，因此使用成本很高。

噪聲從某種意義上說,音爆問題造成的經(jīng)濟(jì)性差導(dǎo)致了“協(xié)和式”超音速客機(jī)的商業(yè)失敗。在超音速客機(jī)的設(shè)計(jì)中,音爆已成為決定和衡量方案成敗的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一,也是超音速客機(jī)設(shè)計(jì)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此,探索預(yù)測音爆水平的相關(guān)技術(shù)以求降低飛機(jī)的音爆水平已成為當(dāng)務(wù)之急。2

空氣動(dòng)力技術(shù)眾所周知，飛行器的升阻比對飛行器有效載荷及性能有很大影響。升阻比越大，有效載荷越大，所以提高升阻比是飛機(jī)外形設(shè)計(jì)時(shí)追求的一個(gè)主要目標(biāo)。在超音速情況下，由于有激波阻力的存在，增加升阻比要困難的多。另外一個(gè)氣動(dòng)力問題就是改善飛機(jī)的低速性能們對于超音速客機(jī)我們往往追求超音速時(shí)的性能，因此在低速時(shí)飛機(jī)的性能不易保證，這包括增升裝置的研究。3

材料超音速飛行器對材料要求較高。由于飛行速度較高，飛機(jī)表面溫度很高，所以需要耐高溫的材料。目前來看，新型耐高溫復(fù)合材料的使用給超音速飛機(jī)的制造帶來了曙光，然而其中仍然存在這一些問題。4

未來展望美國在美國，NASA（美國國家航空航天局）早已著手組織研究音爆問題。在 NASA 的資助下，波音和洛克希德 · 馬丁分別完成了新一代超音速客機(jī)的概念設(shè)計(jì)方案，然后由 NASA 進(jìn)行模型風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行驗(yàn)證試驗(yàn)。目前，上述試驗(yàn)已經(jīng)基本完成。測試結(jié)果表明，新一代超音速客機(jī)通過使用針狀的鼻椎、更加圓滑的機(jī)身、三角翼氣動(dòng)布局和大后掠角翼等技術(shù)，能有效降低音爆的影響。波音完成的新一代超音速客機(jī)方案被命名為“圖標(biāo) -2”。該方案采用大后掠機(jī)翼、雙斜尾、細(xì)長針狀機(jī)頭和雙發(fā)翼上安裝布局。其動(dòng)力裝置采用低涵道比加力燃燒渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，該設(shè)計(jì)旨在大幅降低音爆水平并節(jié)省燃料。洛克希德 · 馬丁設(shè)計(jì)的是一款“超音速綠色飛機(jī)”。這款飛機(jī)采用了傳統(tǒng)的大后掠三角翼布局，單垂尾，全動(dòng)平尾。該方案的關(guān)鍵性創(chuàng)新在于采用了倒“V”字形發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣的布局可以大大降低音爆產(chǎn)生的影響，燃油利用效率也得到明顯提高。對上述兩種型號超音速客機(jī)的全尺寸低音爆驗(yàn)證飛行試驗(yàn)，NASA 正在積極準(zhǔn)備中，第一階段驗(yàn)證計(jì)劃將在 2017 年完成。1

歐洲在歐洲，2008年2月6日，英國公布了一款名為A2的新型超音速客機(jī)模型。按照設(shè)計(jì)，A2的最大航程可達(dá) 20120千米，可搭載300名乘客，在30500米高空以5馬赫左右的速度飛行。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，A2 將使用更加環(huán)保的液氫發(fā)動(dòng)機(jī)。為解決超音速飛行中客機(jī)表面溫度過高的問題，A2采用了特別的外形設(shè)計(jì)，機(jī)身長達(dá)143米，是目前世界上最大客機(jī)——空客 A380 機(jī)身長度的兩倍。與此同時(shí)，空客也宣布了一項(xiàng)名為“馬赫 4”的超音速飛機(jī)研發(fā)計(jì)劃。這架飛機(jī)將使用從海藻中提煉的生物燃料，使整個(gè)飛行過程“零污染”。它在起飛時(shí)將使用傳統(tǒng)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到一定高度后，飛行員將打開一對火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，使飛機(jī)提速。1

俄羅斯有消息稱，俄羅斯正在設(shè)計(jì)能將“大艦隊(duì)”坦克及其彈藥運(yùn)送到世界上任何地方的新概念運(yùn)輸機(jī)，這種還在設(shè)計(jì)階段的新概念運(yùn)輸機(jī)代號“PAK-TA”，將實(shí)現(xiàn)超音速飛行(最高速度可達(dá)2000千米/小時(shí))，并且擁有高達(dá)200噸的有效載荷，單次加油可飛行7000千米，這將使俄羅斯實(shí)現(xiàn)全球軍事快速反應(yīng)能力。

新型運(yùn)輸機(jī)的機(jī)體外形采用翼身融合“飛翼”布局與常規(guī)布局的混合體，擁有大展弦比的機(jī)翼、寬體化的流線型機(jī)身和常規(guī)飛機(jī)的V形尾翼設(shè)計(jì)。機(jī)身背部靠近V形尾翼的地方安裝一臺(tái)背負(fù)式的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)兼具發(fā)電功能，所產(chǎn)生的電力儲(chǔ)存在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前方的機(jī)身背部空間內(nèi)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，然后再把電力分配給機(jī)翼根部2個(gè)巨大空腔內(nèi)的2臺(tái)電力驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，其所產(chǎn)生的高速氣流通過機(jī)翼后緣的鋸齒狀噴口流出，形成推力，機(jī)翼后緣還可以通過偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生矢量推力。V形尾翼位于機(jī)身扁平尾部的上方，傾斜角度較大。值得一提的是，“PAK-TA”兼有噴氣式運(yùn)輸機(jī)高速度和螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的低油耗優(yōu)點(diǎn)，可以滿足長航程的需要，而且該機(jī)的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)還有利于隱身。

據(jù)俄羅斯媒體報(bào)道，目前俄羅斯軍用運(yùn)輸機(jī)的主力仍然是伊爾-76，已難以滿足未來的軍事需求，而俄羅斯與烏克蘭共同開發(fā)安-70運(yùn)輸機(jī)的計(jì)劃也已泡湯。在這種背景下，俄羅斯必須另謀出路，自己開發(fā)未來的超級軍用運(yùn)輸機(jī)，以便運(yùn)輸“大艦隊(duì)”主戰(zhàn)坦克等重型軍事裝備。目前，“PAK-TA”項(xiàng)目已經(jīng)設(shè)計(jì)了多款機(jī)型，計(jì)劃在2024年開始生產(chǎn)，最終將取代俄軍目前服役的運(yùn)輸機(jī)。這意味十年后俄軍將可以在世界上任何地方快速部署重裝部隊(duì)。5

英國著名詩人阿 · 丁尼生說：“夢想只要能持久，就能成為現(xiàn)實(shí)”。從20世紀(jì)60年代至今，人們?yōu)榱俗非蟪羲亠w行的夢想已經(jīng)走過半個(gè)多世紀(jì)的艱辛路程。盡管困難重重，屢遭挫折，但夢想從未中斷。如今，我們再度站在夢想的大門前。NASA 預(yù)計(jì)，符合低音爆標(biāo)準(zhǔn)的新一代超音速客機(jī)有望在未來10年左右實(shí)現(xiàn)首飛，15年內(nèi)投入使用。人們實(shí)現(xiàn)超音速飛行的夢想終將會(huì)在不久的將來真正實(shí)現(xiàn)。