曾經(jīng)的輝煌
追求超音速飛行是人類(lèi)長(cháng)久以來(lái)的夢(mèng)想。上世紀60年代，英法兩國聯(lián)合研制的“協(xié)和”客機問(wèn)世，飛行速度達到兩倍音速，標志著(zhù)這一夢(mèng)想的實(shí)現。
1969年，“協(xié)和”客機首飛，1976年投入航線(xiàn)運營(yíng)�！皡f(xié)和”客機可以在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，比普通民航客機節省一半時(shí)間。1996年2月7日，一架“協(xié)和”客機僅用2小時(shí)52分鐘59秒的時(shí)間，就從倫敦飛抵紐約，創(chuàng )下了民航運輸史上的最快紀錄。
當時(shí)，能夠搭乘“協(xié)和”客機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)，到達紐約時(shí)，巴黎時(shí)間為12時(shí)，而紐約當地的時(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(xiàn)運營(yíng)后，吸引了一大批常常往返于美國和英法兩國間的工商界、政界高級人士和銀行家等客人�！皡f(xié)和”客機的服務(wù)可以用“優(yōu)質(zhì)”、“高貴”來(lái)形容，每位乘客都可以免費享用香檳，機上膳食使用的餐具，都是由具有250余年歷史的著(zhù)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”客機高貴奢華的形象。
當然，它的票價(jià)也是水漲船高，十分昂貴。雖然“協(xié)和”客機的客座數較少，運營(yíng)成本較高，但仍可盈利。在輝煌時(shí)期，英航“協(xié)和”客機獲利占英航總盈利的25%。自1976年至2003年，英國航空公司的“協(xié)和”客機共飛行5萬(wàn)余個(gè)班次，累計飛行時(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，英法驕傲地將其比作一只“完美的大鳥(niǎo)”�？粗�(zhù)“協(xié)和”又尖又長(cháng)的機頭，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�！皡f(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，它只有在飛機作超音速飛行時(shí)才會(huì )出現。飛機在超音速飛行時(shí)產(chǎn)生的強壓力波，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斗機產(chǎn)生的聲爆足以震碎門(mén)窗玻璃。
有人測量過(guò)，一架在16000米高空以?xún)杀兑羲亠w行的“協(xié)和”客機產(chǎn)生的聲爆，對地面產(chǎn)生的壓強高達100帕，相當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。如果把壓強換算成更直觀(guān)的聲強，100帕大約相當于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發(fā)展的“瓶頸”。
由于上述原因，FAA禁止“協(xié)和”客機在陸地上空進(jìn)行超音速飛行，這直接斷送了這款飛機的市場(chǎng)前景。2003年10月24日，“協(xié)和”客機完成最后一次飛行后全部退出市場(chǎng)。
今日的探索
針對“協(xié)和”的教訓，NASA認為，只有降低聲爆，才有可能使超音速客機重新回歸商業(yè)運營(yíng)。為此，NASA就如何降低超音速客機在突破音障時(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準；二是設計出一種能符合該低聲爆標準的超音速客機。
首先，NASA采用目前業(yè)界統一使用的“感覺(jué)噪聲等級”（PLdB）來(lái)量化聲爆的大小。以“協(xié)和”為例，其PLdB的數值達到105，很難被人們接受。研究人員認為，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到低聲爆水平的新一代超音速客機，NASA制定了X系列驗證機開(kāi)發(fā)計劃。未來(lái)10年，NASA在該計劃上的投資將超過(guò)106億美元。
根據計劃要求，洛克希德·馬丁研制了“安靜超音速技術(shù)低聲爆飛行驗證機(QueSST)”。這架飛機是按NASA提供的價(jià)值2000萬(wàn)美元的合同開(kāi)展初步設計，將在2017年4月進(jìn)行初步設計評審。然后，NASA將采取公開(kāi)競標的方式選擇制造商開(kāi)展QueSST飛機的制造工作，計劃于2019年9月完成首飛。
QueSST驗證機長(cháng)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，安裝一臺帶加力燃燒室的GE公司F404戰斗機發(fā)動(dòng)機。該機雖然在尺寸上與大型運輸機相差不少，但可以模擬100-120座級的超音速大型客機的聲壓特征。
NASA的研究表明，新一代超音速客機使用針狀的鼻椎、更加圓滑的機身、三角翼和大后掠角翼，這些氣動(dòng)外形在降低聲爆上有著(zhù)突出的效果。
QueSST飛機的設計目標之一,是產(chǎn)生噪聲等級僅為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”客機產(chǎn)生的N型激波則會(huì )猛烈地撞擊地面，噪聲等級高達105PLdB。
在傳統超音速客機設計中，分別來(lái)自機頭、座艙蓋、進(jìn)氣口、機翼和尾翼的激波在大氣中傳播時(shí)會(huì )聚集，進(jìn)而產(chǎn)生更強的N型激波。低聲爆設計技術(shù)就是通過(guò)對飛機外形進(jìn)行優(yōu)化，使機身不同部位產(chǎn)生強度更小的激波。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，從而聲音到達地面時(shí)會(huì )聽(tīng)起來(lái)比較“柔軟”。
QueSST飛機在外形上具有一些明顯特征：一個(gè)穿越音速時(shí)破除弓形激波的細長(cháng)尖頭的機身，一副可屏蔽噪聲的小展弦比三角翼，一臺安裝在機翼上的發(fā)動(dòng)機，鴨翼和用于控制激波的垂尾頂部小平尾，位于細長(cháng)機身最后端的升力平尾等。
這些外形設計的目的就是為了讓飛機突破音障時(shí)所產(chǎn)生的聲爆等級能夠達到75PLdB的目標。為了提供升力需求，在機身最后端布置了一個(gè)升力平尾，這與常規飛機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·馬丁公司的設計方案還必須滿(mǎn)足可縮放的要求，即要使試驗結果與大型飛機具有可比性而需要將QueSST飛機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。
根據目前的進(jìn)展，NASA預計，符合低聲爆標準的新一代超音速客機有望在未來(lái)10年左右實(shí)現首飛，未來(lái)15年內投入使用，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。（文/王維瀚）
