麻省理工學院探索超聲速客機的新構型

2003年11月26日，隨著“協和”超聲速客機的正式退役，超聲速商業旅行陷入沉寂。此后，許多研究團隊一直在探索下一代超聲速噴氣式飛機的布局形式，特別是NASA一直在持續研究和試驗各種降低音爆的技術，但都局限在常規的單翼機平臺上。然而，麻省理工學院的研究人員最近正在研究的一種超聲速雙翼機概念，可能解決導致“協和”客機停飛的燃油成本居高不下、聲爆引發巨大噪聲等許多問題。

從原理上看，這種解決方案似乎非常簡單，即用兩副機翼替代常規的一副機翼，可以稱之為超聲速雙翼機。提到雙翼機，人們通常會憑借直覺認為，它不會以很快的速度飛行，但是，直覺往往也會出錯。目前，研究人員的理論分析和仿真計算表明，采用雙翼布局的飛機有能力突破聲障，實現超聲速飛行。

早在20世紀50年代，德國工程師阿道夫·布斯曼就曾經設計過一種安靜的超聲速雙翼機概念，巧妙借助兩副機翼的構型特點，可以從根本上消除超聲速下產生的激波。不過，這一設計方案的升力性能較差。目前，麻省理工學院航空航天系的助理教授王奇琦、博士后胡睿與斯坦福大學的教授安東尼·詹姆森等人正在采用空氣動力學建模與仿真領域的最先進技術，復活布斯曼的雙翼機，以探索這種概念在21世紀是否具有發展潛力。

目前，他們已經展示了一個計算機模型，這是一種經過優化設計的雙翼機。與常規的單翼機相比，它在超聲速巡航速度下，可以顯著減少阻力。據介紹，減少了阻力，意味著飛機可以減少飛行所需的燃料，也意味著飛機可以減少聲爆。

從空氣動力學來看，聲爆是由超聲速飛機產生的激波。通常情況下，當常規噴氣式飛機接近聲速時，飛機前部和后部的空氣開始受到壓縮，在飛機達到和超過聲速時，空氣的壓力會突然增加，飛機的前、后產生兩個巨大的激波，這就是聲爆。對于地面人員來說，聲爆聽起來就像是槍炮聲，因此十分令人煩惱，以至于美國和歐洲都嚴格禁止超聲速民用飛機在陸地上空飛行。

布斯曼雙翼機采用了兩副對稱安裝的機翼，由于機翼剖面為均為三角形，就形成了一個帶有喉部的通道。計算表明，這種設計作為一個整體，可以有效地消除每副機翼各自產生的激波。然而，布斯曼的設計方案缺乏有效升力，原因在于，兩副機翼產生了一個非常狹窄的通道，只能流過有限的氣流。在飛機加速到超聲速過程中，通道的喉部可能會出現壅塞現象，產生難以置信的巨大阻力。這種設計盡管可以在超聲速下出色地工作，卻無法克服阻力達到超聲速狀態。

為了解決阻力問題，麻省理工學院的研究人員設計了一個計算機模型，用于模擬布斯曼雙翼機在各種速度下的性能。他們在12種不同的設計速度下，模擬了700種機翼構型，最后確定了一種具有最小阻力的最佳機翼形狀。研究發現，在保持翼型之間的距離情況下，如果逐漸突出上方機翼的前緣和下方機翼的后緣，就能夠大大消除壅塞狀態。此外，研究還發現，將機翼剖面由三角形修改為鉆石形，即每副機翼的內表面設計得平滑一些，可以略微產生一個相對較寬的通道，使氣流得以順利通過，進一步改善性能。

這樣，經過優化設計的布斯曼雙翼機就能夠在超聲速狀態下飛行，而產生的氣動阻力只有“協和”超聲速噴氣式飛機的一半，潛在地好處則可以將飛行所需的燃油量減少一半以上。從有效載荷方面考慮，超聲速雙翼機起飛時，不僅必須攜帶乘客，而且還要攜帶燃油，如果能夠減少燃油消耗，就可以減少所需攜帶的燃油量，從而可以減小機內燃油箱的結構尺寸。這是一種連鎖效應。

該研究團隊的下一步工作是設計一個更加全面的三維模型，用于計算影響飛行的其他因素，進而獲得超聲速雙翼機的最佳設計。當麻省理工學院的研究人員們都在尋求一種優化設計機翼的途徑來實現超聲速飛行時，日本的一個研究小組已經在設計一種類似布斯曼雙翼機的項目中取得了顯著進展，其方法是通過采用活動部件，使機翼在飛行中可以改變形狀，以達到超聲速性能。

目前，許多研究人員都在想方設法地改進布斯曼的設計，因此在未來幾年內，這個領域有可能會呈現出迅速發展的態勢。如果研究進展順利，用于技術驗證的超聲速雙翼原型機將會問世。創新無止境，屆時，更安靜、更省油的雙翼機有可能實現更加快捷、便宜的超聲速旅行。