[科普中國]-超音速客機

超音速客機（Supersonic Transport, SST）是指其速度比音速快的民航客機，歷史至今僅有兩種超音速客機曾經(jīng)批量生產(chǎn)并投入商業(yè)營運，分別為英國、法國聯(lián)合研制的協(xié)和飛機，以及蘇聯(lián)的圖-144，均在1960年代末出現(xiàn)。但超音速客機自問世以來一直備受成本效益、環(huán)境破壞等因素困擾，并未有大規(guī)模推廣使用。

發(fā)展歷史背景1950年代起，隨著亞音速噴氣式客機的普及，波音707、道格拉斯DC-8、快帆（Caravelle）等噴氣式客機趨于成熟，以及第一種實用化的超音速軍用飛機——F100“超佩刀”戰(zhàn)斗機的出現(xiàn)，民航界就不斷追求飛行速度的提升，超音速客機在當時被普遍視為未來的發(fā)展路向，對超音速客機的市場前景也十分樂觀。從當時的航空技術(shù)角度來看，超音速客機的構(gòu)想是可以實現(xiàn)的，另一方面社會大眾及航空公司對超音速客機普遍抱有正面的態(tài)度。有一點是各方都有共識的，就是超音速客機相當適合中長程的航線，如果飛機能比現(xiàn)有的亞音速客機速度提高兩倍以上，將大大縮短長途飛行的時間，提高速度所帶來的經(jīng)濟效益將大于燃油消耗的增加。理論上，相比普通亞音速客機，飛行速度高三倍的超音速客機，可以在相同時間內(nèi)在同一條航線上運送同等數(shù)量或者更多的旅客，從而取代三架亞音速客機或騰出用于其他航線，并在人力和維護方面減低成本，因此以時間換取效益就是超音速客機的經(jīng)濟動力。

早期研究歐洲

超音速客機的實際研究工作始于1950年代中期，當時第一代超音速戰(zhàn)斗機正開始服役，航空技術(shù)對于超音速飛行有了更多的認識。在歐洲，英國和法國政府均以補貼的形式支持國內(nèi)飛機制造商研究超音速客機的方案。1956年，英國政府成立了超音速運輸飛機委員會（Supersonic Transport Aircraft Committee，STAC），聯(lián)合了英國皇家飛機研究院（Royal Aircraft Establishment，RAE）和布里斯托爾飛機公司（Bristol Aeroplane Company）進行研究，開始探討開發(fā)超音速客機的可行性，研究集中在超音速客機的技術(shù)問題和經(jīng)濟性問題。1959年，委員會得出了初步結(jié)論，認為超音速客機在技術(shù)上是可行的，超音速客機只有在相當?shù)妮d客量的遠程航線上運營才比較經(jīng)濟，航程以歐洲西海岸到美國東海岸為基準航線時，速度以2.2倍音速為宜。如果速度更低將難以保證在倫敦和紐約之間當天來回，大大減低超音速旅行的吸引力。速度更高將超過鋁合金的耐熱能力，需要采用不銹鋼或鈦，在技術(shù)上未知數(shù)太多。

當時英國的布里斯托爾飛機公司并根據(jù)委員會的建議，提出了布里斯托爾198（Bristol 198）計劃，裝備6具渦輪噴氣發(fā)動機、可載130名乘客并以超音速進行跨大西洋飛行。但由于這種設(shè)計理論重量過高，而且裝備6具發(fā)動機的經(jīng)濟性備受質(zhì)疑，隨后布里斯托爾飛機公司又推出了布里斯托爾198的縮小版本——布里斯托爾223（Bristol 223），設(shè)計是一種采用三角翼、裝備4具發(fā)動機、巡航速度為2馬赫、可載客約100人并能夠進行跨大西洋飛行的超音速客機。阿姆斯特朗-惠特沃斯飛機公司（Armstrong Whitworth Aircraft）更提出了一個更為激進的方案，這個方案采用M形機翼（M-wing），機翼從翼根開始前掠，到一半翼展以外改為后掠，并采用了按跨音速面積率的蜂腰設(shè)計。這種構(gòu)型雖然前衛(wèi)，但設(shè)計最高速度只有1.2馬赫，最終不了了之。而此前加拿大阿弗洛公司（Avro Canada）也曾經(jīng)幾種超音速客機的設(shè)計方案予環(huán)球航空選擇，其中包括了設(shè)計速度1.6馬赫的S型前緣機翼方案，以及設(shè)計速度為1.2馬赫、帶有水平尾翼的三角翼方案，隨后加拿大阿弗洛公司的設(shè)計團隊和方案轉(zhuǎn)往英國，并成為霍克·西德利公司的設(shè)計，但最后委員會選擇了布里斯托爾的方案，霍克·西德利的超音速客機也就沒有了下文。法國方面，以戴高樂總統(tǒng)為首的法國政府也大力支持法國的國營飛機制造廠研制超音速客機。法國南方飛機公司（Sud Aviation）和達索公司聯(lián)合進行研究，提出了超級快帆（Super-Caravelle）的設(shè)計方案?！俺壙旆迸c布里斯托爾223十分相似，也是一種采用三角翼、巡航速度為2.2馬赫、可載客約70人的中程超音速客機。

至1960年代初，英法兩國開始就超音速客機計劃達成共識并開展合作，主要是因為兩國的設(shè)計方案十分接近，在速度、航程、氣動布局等方面均有極大的相似性，合作研制有助于平均負擔費用。另一方面，當時波音707、道格拉斯DC-8迅速占據(jù)歐洲民航客機市場的大量份額，法國總統(tǒng)戴高樂不愿意看見歐洲市場被美國飛機制造商壟斷，因此也鼓勵兩國合作，加快研發(fā)進度，爭取在美國的超音速客機出現(xiàn)之前搶占市場。在法國總統(tǒng)戴高樂和英國首相麥克米倫提議下，合作計劃草案于1962年11月28日正式簽訂，最終成就了協(xié)和飛機（Concorde）的出現(xiàn)。

蘇聯(lián)

蘇聯(lián)的超音速客機研制計劃在1960年代初開始，1963年經(jīng)赫魯曉夫和蘇聯(lián)部長會議批準后正式立項，由圖波列夫設(shè)計局負責，定型為圖-144，起步較協(xié)和飛機晚了兩年。圖-144在1968年12月首飛，比協(xié)和飛機早了兩個月。1969年6月首次達到超音速，成為世界上第一種超音速客機。而協(xié)和飛機在1969年3月首飛，同年10月進行首次超音速飛行。

美國

作為一個超級大國，美國已經(jīng)在1950年代的噴氣式客機的市場上先奪頭籌，對超音速客機也是雄心勃勃，波音公司也早在1952年起開始對超音速客機展開研究工作。來自歐洲、蘇聯(lián)的挑戰(zhàn)也令美國政府不敢怠慢，美國國家航空航天局也在1962年啟動了“超音速航空運輸”（Supersonic Commercial Air Transport，SCAT）計劃，自行研究超音速客機。1963年6月5日，時任美國總統(tǒng)肯尼迪正式成立“國家超音速客機計劃”（National Supersonic Transport，NST），并承諾美國政府將資助超音速客機研制經(jīng)費的75%，意圖研制出比協(xié)和飛機、圖-144更先進、載客量更大、速度更快、航程更遠的超音速客機。設(shè)計請求相繼發(fā)往美國各主要飛機制造商，競爭廠商包括波音、洛歇、北美航空，從而出現(xiàn)波音2707和洛歇L-2000這兩個最著名的設(shè)計方案，1966年美國聯(lián)邦航空局選定了波音2707作進一步的發(fā)展。

挑戰(zhàn)

1960年代是一個動蕩、嬉皮士的年代，環(huán)境保護的意識正同時在美國和歐洲在抬頭，公眾反對超音速飛機造成音爆、破壞臭氧層的抗議越來越激烈。一名反對超音速客機的美國物理學家，威廉姆?舒克利夫（William Asahel Shurcliff），編寫和發(fā)布了一本名為《超音速客機與音爆手冊》（SST and Sonic Boom Handbook）的書籍之后，聲稱超音速客機每一次飛行都會造成一個長2000英里、寬50英里的音爆區(qū)（bang-zone）。1971年，盡管超音速客機計劃受到美國總統(tǒng)尼克松支持，但美國參議院、美國國會均否決了進一步撥款，取消了波音2707的研發(fā)，與此同時也打擊了協(xié)和飛機。最初以“跨大西洋超音速運輸飛機”為目標而研制的協(xié)和飛機，被美國國會決議禁止在美國著陸。1976年，美國的態(tài)度才開始軟化，開通了倫敦、巴黎—華盛頓的定期航班。1977年10月，紐約的禁令才正式解除，同年11月正式開通了倫敦、巴黎—紐約的定期航班。

先進超音速客機（AST）1970年代中后期，當航空技術(shù)日益進步，超音速飛行對環(huán)境影響的指控被證明是夸大其詞，第二代超音速客機的研發(fā)開始浮出水面。雖然1970年代初的環(huán)境并不利于超音速客機，但美國的研究實際上仍然一直進行。三家主要的飛機制造商，包括波音、道格拉斯、洛歇，均一直接受政府的資助。據(jù)統(tǒng)計，在1970年代美國國家航空航天局已經(jīng)花費了超過900萬美元投入研究，其中過半用于資助上述三家公司。美國的第二代超音速客機以“先進超音速客機”（Advanced Supersonic Transport，AST）為名，三家公司都提出了自己的方案。波音、洛歇分別以波音2707、洛歇L-2000為基礎(chǔ)進行改進，道格拉斯則推出DC-AST方案，而三個方案均大同小異，但尺寸比第一代要大得多，目標載客300人以上，而且速度更高，DC-AST設(shè)計速度為2.2馬赫，而洛歇、波音的設(shè)計更分別追求2.55馬赫和2.7馬赫，更大范圍的使用鈦合金。第二代超音速客機并以減輕噪音、提高燃油效率為目標，設(shè)想使用通用電氣的變循環(huán)發(fā)動機（Variable-cycle engine，VCE）。與此同時，蘇聯(lián)的圖波列夫設(shè)計局也推出圖-244的構(gòu)想，目標載客250至320人，巡航速度2.2馬赫，最大航程達9200公里，但沒有太多實際進展。

然而時移世易，此時超音速客機在經(jīng)濟性方面已經(jīng)難以和普通高亞音速客機競爭。當超音速客機在1960年代出現(xiàn)的時候，主要的競爭對手是以波音707為代表、載客100至200人的遠程亞音速客機，以速度和載客量來衡量，超音速客機仍然有一定優(yōu)勢。但隨著以波音747為代表、載客300至400人的新一代亞音速寬體客機在1970年代起迅速普及，若從人均飛行成本的角度超音速客機已經(jīng)完全不具備優(yōu)勢。另一方面，在現(xiàn)有的技術(shù)上超音速客機在航程仍然難以和亞音速客機匹敵，隨著渦輪風扇發(fā)動機自1960年代以來的廣泛運用和日益提升的涵道比，其燃油效益已非此前的渦輪噴氣發(fā)動機所相比。因此，要實現(xiàn)超音速飛行無可避免要在經(jīng)濟性上打折扣，成本效益更好的寬體亞音速客機更能獲得航空公司的青睞，最終“先進超音速客機”的計劃也在1980年代中取消。

高速民用運輸機計劃（HSCT）美國國家航空航天局于1990年啟動了“高速民用運輸機”計劃（High Speed Civil Transport，HSCT），以改進超音速客機設(shè)計為目標。美國國家航空航天局]聯(lián)合了波音和麥道，花費了超過九年時間，投放了過10億美元。設(shè)計指標為載客250至300人、2倍音速，務(wù)求令超音速客機的機票價格不會高于普通航班超過20%。俄羅斯在1990年代中期為一架圖-144重新裝上新發(fā)動機，為HSCT計劃進行實驗以收集數(shù)據(jù)。

但經(jīng)濟性仍然是航空公司最大的考慮因素，HSCT的推廣欠缺市場反應(yīng)。1990年代末，已經(jīng)收購了麥道的波音公司開始考慮是否繼續(xù)投資在這項計劃，后來表示將暫緩這個計劃，或許會到適當時候，或2020年再啟動。隨著波音的退出，美國國家航空航天局在1999年2月取消了HSCT，轉(zhuǎn)而為國際空間站增加6億美元資金。

歐洲超音速研究計劃（ESRP）1994年4月，法國宇航、英國宇航及德國戴姆勒克萊斯勒宇航（DaimlerChrysler Aerospace）成立了“歐洲超音速研究計劃”（European Supersonic Research Program ，ESRP），研發(fā)第二代的協(xié)和飛機，并計劃于2010年投入服務(wù)，飛機被稱為“未來超音速客機”（法語：Avion de Transport Supersonique Futur）。同時，斯奈克瑪公司、羅爾斯·羅伊斯、MTU航空發(fā)動機公司（MTU Aero Engines）及菲亞特集團于1991年開放合作共同為新一代超音速客機開發(fā)配套的發(fā)動機。計劃投資額限定不超過每年1200萬美元，主要是由幾家公司共同投資，研究內(nèi)容包括材料、空氣動力學、系統(tǒng)及發(fā)動機集成以作為參考配置。ESRP的計劃是一種巡航速度為2馬赫、載客250人、航程10,186公里（5500海里）的超音速客機，從外觀上類似一架帶有前鴨翼、加大版的協(xié)和飛機。ESRP已經(jīng)已經(jīng)完成初步設(shè)計，并利用小比例模型進行過風洞測試。

零排放超音速客機（ZEHST）在1990年代初，日本政府就把開發(fā)第二代超音速客機設(shè)定為重要的技術(shù)戰(zhàn)略之一。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）發(fā)起的“次世代超音速客機”（National Experimental Airplane for Next Generation Supersonic Transport，NEXST）開發(fā)計劃于2002年正式啟動，致力于研制新一代的超音速客機，設(shè)計指標為載客300人、速度2馬赫、比協(xié)和飛機節(jié)約75%燃料并多兩倍的航程，期望能于2015年進行首飛。該計劃曾在2002年時發(fā)生過測試意外——2002年7月14日，日本團隊在澳大利亞南部的武麥拉測試場（Woomera Test Range）以一具1/10（約11.5米長）的縮比模型進行首次的試射，但以火箭籌載的測試模型在發(fā)射升空后不久就失控墜毀。事后日本團隊不愿針對失敗原因發(fā)表評論，但長達半年的準備工作卻付之一炬。

2005年6月，法國和日本在巴黎航空博覽會上正式簽署合作協(xié)議，將NEXST項目擴展至兩國合作，由兩國的合資公司共同研制。2005年10月10日，JAXA在澳大利亞西部荒漠伍默拉試驗場再次試飛超音速客機的1：10模型，并取得成功。原型機由日本三菱重工業(yè)公司研制，全長11.5米，僅重2噸。

經(jīng)過5年聯(lián)合研制，代表法國參與研制項目的歐洲宇航防務(wù)集團（EADS）于2011年的巴黎航空展中，宣布推出“零排放超音速客機”（Zero Emission Hypersonic Transportation，ZEHST）的概念機，這種新型客機長約80米，翼展在35米至40米之間，最高巡航速度達4馬赫（約5000公里/小時）。飛機采用四種發(fā)動機，分別為兩臺使用生物燃料的渦輪噴氣發(fā)動機、兩臺使用液態(tài)氫氧燃料的助推火箭發(fā)動機、一臺低溫火箭發(fā)動機和兩臺使用液態(tài)氫的沖壓發(fā)動機。在不同飛行階段，ZHEST使用不同類型發(fā)動機。起飛階段由渦輪噴氣發(fā)動機將飛機推升到距地面5公里的空中，飛行速度達到0.8馬赫；然后切換至火箭發(fā)動機，將飛機推送到距地面20公里的高空，飛行速度達到2.5馬赫；最后切換成沖壓發(fā)動機，加速至4馬赫，飛機升至距地面32公里的高空進行超高音速巡航。這種飛機可以搭乘50至100名旅客，從巴黎飛東京只需2.5小時。ZHEST預(yù)計在2020年開始進行測試飛行，并期望能在2050年投入使用。

超音速公務(wù)噴氣機（SSBJ）另一個備受關(guān)注的研究領(lǐng)域是超音速公務(wù)噴氣機（Supersonic business jet，SSBJ）。音爆的強度除了和飛機的速度有關(guān)，也和飛機的大小成正比，所以小型噴氣機的噪音問題相對大型民航機輕微得多。另一方面，能擁有公務(wù)噴氣機不外乎是企業(yè)高管和政府機構(gòu)，正如協(xié)和飛機的座上客，這些乘客通常十分愿意付出更多金錢來換取減少飛行時間。

俄羅斯著名戰(zhàn)斗機制造商蘇霍伊與美國公務(wù)噴氣機制造商灣流宇航在1990年代中期曾共同研究，達梭航天于2000年代初進入這個領(lǐng)域，但至今仍然未有機型投產(chǎn)。目前最新的SSBJ計劃包括美國Aerion公司的Aerion SBJ、超音速宇航國際和洛歇馬丁合作的靜音超音速運輸機（SAI Quiet Supersonic Transport），及圖波列夫設(shè)計局的圖-444。

云霄塔太空飛機（Skylon）英國Reaction Engines公司在在英國航天局的協(xié)助下，正在研發(fā)一種名為“云霄塔”（Skylon）的太空飛機，最高速度5馬赫（約6125公里/小時）、可容納40 名乘客、使用無碳燃料，發(fā)動機從大氣中吸收氧氣和氫氣作燃料，并以單級入軌方式進入近地軌道。如果這種飛機研制成功，將大大縮短長途航空的旅行時間，從歐洲布魯塞爾前往悉尼只需4.6小時。

Overture于2014年成立的美國Boom Supersonic研發(fā)名為Overture的超音速客機，并計劃于2019年推出1:3比例原型機XB-1，Boom設(shè)想Overture能以2.2馬赫（2715公里/小時）的速度飛行，比協(xié)和式飛機快10%左右，機艙可容納55名乘客，全商務(wù)艙設(shè)計。

技術(shù)挑戰(zhàn)空氣動力學氣流作用為飛機提供升力的同時也帶來阻力，當飛機以音速以下的速度飛行時，飛行阻力會和阻力系數(shù)、空速的二次方和空氣密度成正比。超音速飛機的阻力除了包含了亞音速飛機同樣遇到的摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力、干擾阻力外，還有一項特別的激波阻力。當物體以音速或超音速運動時，空氣的性質(zhì)會改變。飛機飛行時會對前方空氣產(chǎn)生壓縮，形成的壓力波（擾動波）以音速傳播。在0.8馬赫之1.2馬赫之間的跨音速階段，如果壓力波的傳播速度等于或小于飛機前進速度，導(dǎo)致后續(xù)時間的壓力就會和已有的壓力波疊加在一起，空氣遭到強烈的壓縮，阻力系數(shù)峰值會比0.8馬赫以下時大四倍，從而形成了激波和音障。在超過1.2馬赫之后，阻力系數(shù)反而逐步下降，和速度成反比，大約只比亞音速階段高30%至50%。

因此，超音速飛機設(shè)計的首要考慮因素是降低飛機自身的阻力系數(shù)，將飛機盡量設(shè)計成流線型，機頭設(shè)計成錐型而非鈍形，以避免在跨音速階段形成波阻極大的正激波。此外超音速飛機的巡航高度通常比亞音速飛機更高，利用空氣密度較低的空層以減少面對的空氣阻力。另一方面，超音速飛機需要更強大的動力來突破音障。

超音速飛行的特性也決定著機翼的升阻比。超音速飛行時機翼產(chǎn)生升力的效率會比亞音速時低，同時機翼也會成為阻力的來源。因此超音速飛機的機翼升阻比一般較小，以2馬赫實現(xiàn)超音速巡航的飛機，其典型升阻比大約僅為亞音速飛機的一半，盡可能滿足升力的同時也減少阻力。以協(xié)和飛機為例，展弦比為1.7，翼根相對厚度為3%，翼尖為2.15%，使其超音速飛行時的升阻比達到7.7，亞音速時升阻比達到12.8。而其他亞音速客機，如波音747、道格拉斯DC-10、空中客車A320的巡航升阻比普遍約為17。

發(fā)動機用于亞音速飛行和超音速飛行的噴氣發(fā)動機具有相當?shù)牟町?。特別為超音速飛行狀態(tài)優(yōu)化的噴氣發(fā)動機，能夠在超音速飛行時提供較高的燃油效率，但隨著速度的提升，燃油消耗率（SFC）仍然會相應(yīng)增長。

當?shù)谝淮羲倏蜋C在1960年代面世時，亞音速客機仍然使用渦輪噴氣發(fā)動機。為了適應(yīng)超音速飛行的需要，因此迎風面積較小、低涵道比的渦輪噴氣發(fā)動機是最佳選擇，以減少阻力及產(chǎn)生達超音速的排氣速度，而油耗較低和噪聲較少的高涵道比渦輪風扇發(fā)動機則不適合用于超音速客機。由羅爾斯·羅伊斯和斯奈克瑪公司聯(lián)合為協(xié)和飛機研制研制的奧林匹斯593 Mk 610型渦噴發(fā)動機，即屬于專為超音速飛行而優(yōu)化的發(fā)動機，這是當時世界上推力最大渦噴發(fā)動機。當協(xié)和飛機以2馬赫速度進行超音速巡航時，奧林匹斯593型是世界上效率最高的渦輪噴氣發(fā)動機。但隨著渦扇發(fā)動機自1970年代以來的廣泛運用和日益提升的涵道比，其燃油效益已非此前的渦輪噴氣發(fā)動機所相比。然而由于渦扇發(fā)動機迎風面積大，因此高涵道比的渦扇發(fā)動機并不適合超音速客機使用，一般來說超音速飛機的發(fā)動機涵道比約0.45是屬于一個理想的情況，而亞音速客機所使用的高涵道比發(fā)動機一般為2.0或更大。

目前超音速客機的另一個研究領(lǐng)域是脈沖爆震發(fā)動機（Pulse detonation engine，PDE）。這是一種基于爆震燃燒原理的新概念發(fā)動機，比現(xiàn)有的渦輪風扇發(fā)動機能提供更高的效率。美國國家航空航天局一直進行對脈沖爆震發(fā)動機的研究工作，預(yù)計采用脈沖爆震發(fā)動機的超音速客機將可達到5馬赫的速度。2008年1月，美國國家航空航天局利用一架改裝脈沖爆震發(fā)動機的美國縮尺復(fù)合體公司（Scaled Composites）Long-EZ小型飛機進行了首次試驗飛行并獲得成功，雖然總共僅歷時十秒，但對于驗證這項技術(shù)的可行性具有重要意義。

音爆即使超音速飛機在高空飛行，產(chǎn)生的音爆仍然是一個很嚴重的問題。1960年代中，美國進行的俄克拉何馬市聲爆試驗，以及美國空軍的XB-70轟炸機試驗均證明了這個特性。1

為了消除音爆的影響，超音速客機可以在到達海面上空之后才加速突破音障，而在內(nèi)陸上空保持亞音速飛行，避免噪音對公眾造成滋擾，這也是協(xié)和飛機一貫的做法。但相比亞音速客機，超音速客機由于擁有升阻比較低的機翼、為超音速巡航而優(yōu)化的發(fā)動機，除非使用一些特別的技術(shù)（如可變后掠翼），否則亞音速飛行時的效率仍然相對差得多，并消耗更多的燃油，導(dǎo)致經(jīng)濟性奇差。2

1970年代初在研究激波特性的時候，美國國家航空航天局和康乃爾大學的研究發(fā)現(xiàn)，可以對機身進行精細的調(diào)整，利用機身各部位產(chǎn)生的激波在相位上的差異，誘使它們互相抵消，使傳遞到地面的N形波的強度減小，減低音爆的影響。但由于當時技術(shù)上的限制，難以進行實驗。2001年，美國國家航空航天局和諾斯洛普·格魯門公司、國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）合作，啟動“定形聲爆驗證”（Shaped Sonic Boom Demonstration）計劃。2003年，一架機身經(jīng)過改造的F-5E戰(zhàn)斗機進行試驗并獲得成功，其降低聲爆理論已被驗證。美國國家航空航天局希望這項技術(shù)能在未來運用至商用和軍用超音速飛機。

參看超音速

亞音速

超高音速

超音速巡航

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學院工程熱物理研究所