超聲速客機正飛來

劉思靜

協和號停飛20多年后，超聲速客機重回公眾視野。2020年7月，著名的初創公司博姆公司（Boom）宣布，公司正在研制的XB-1超聲速客機整體式機翼和機身已經完成對接，并完成了機翼的加載試驗。XB-1超聲速飛機的載客人數為75人，按計劃將于2021年開始試飛。

在此之前，另一家初創公司艾利安公司（Aerion）已經宣布，公司正在研制的AS2超聲速公務機將在2024年首飛，2026年投入市場，而合作伙伴GE公司為其研制的“親和力”（Affinity）發動機已經在今年2月完成了第一輪發動機燃燒試驗，預計今年年底對其進行產品設計審查。可以說，諸如Boom和Aerion這樣充滿創新力的初創型公司已經成為超聲速客機研制的重要推動力。

擅長借力的Aerion

Aerion公司正在研制的AS2超聲速公務機是在研超聲速客機項目中較為成熟的一款。經過多年的設計優化和不斷驗證，2020年Aerion公司確定了AS2項目的最終設計：采用全新的后掠三角翼來取代層流設計，飛機機身長44米，翼展為24米，具有較大的前緣襟翼和后緣襟翼，能夠改善低速飛行性能，使發動機在低功率起飛階段滿足噪聲規定。

雖然目前對AS2機體活動面尚未給出具體細節，但后緣襟翼被認為支撐著一組高速內側襟副翼、中跨襟翼和外側低速副翼，前緣襟翼內側由固定部分組成，活動面幾乎從發動機短艙延伸到翼尖。

對于一直以來困擾著超聲速飛機的噪聲問題，Aerion公司已明確表示，AS2超聲速公務機的設計嚴格按照FAA提出的噪聲認證法規，即在采用有效感覺噪聲級的評判標準下，其橫測噪聲不超過96.5分貝，飛越噪聲不超過94分貝，進場噪聲不超過100.2分貝。

作為一家初創型公司，Aerion十分擅長與傳統企業開展合作，而靠譜的傳統制造商也為AS2超聲速公務機的研制提供了強有力的技術支撐。AS2超聲速公務機采用了GE公司最新的Affinity發動機作為動力裝置。目前，這款發動機已經完成了初步設計審查，GE正在對測試過程中產生的基準噪聲數據進行評估。這也是行業內第一次在一臺發動機上完成這一類型的聲學測試。

同時，為了實現綠色環保的目標，未來GE還計劃在Affinity發動機上使用100%的可替代噴氣燃料。如果這一計劃最終得以實現，將大大降低超聲速客機的使用成本。根據計劃，AS2超聲速公務機將在今年10月完成飛機級的初步設計審查。

“瘋狂的”Boom

Boom公司研制的超聲速客機的原型機代號為XB-1，綽號“嬰兒潮”，寓意是希望其可以延續全球首款超聲速飛機X-1的輝煌。

XB-1原型機尺寸是未來量產版Overture超聲速客機的三分之一，外形設計上與協和號十分相似。XB-1原型機只有兩個座位，其作用是用來驗證全尺寸Overture超聲速客機的各項技術，其中包括高效的空氣動力學設計、先進復合材料和高效的推進系統等。

2016年，Boom公司公布了XB-1飛機的概念設計圖：飛機全長為21米，翼展為5.2米，最大起飛質量為6100千克。飛機整體采用了流線型和高細度比（飛機長度與寬度之比）設計來減小阻力并提高飛行效率。機翼采用了三角翼設計，使飛機能夠在較寬的速度包線內平衡飛行控制和穩定性。

XB-1具有獨特的進氣道設計，能夠保證為發動機提供穩定的氣流，該設計已經在超聲速風洞中得到了驗證。XB-1采用碳纖維、環氧樹脂等輕質復合材料制成，每個組件都經過了單獨設計以平衡強度、質量和穩定性。

目前，XB-1的設計制造已經接近尾聲：駕駛艙完成了93%，已經通過了人體工程學測試，確保了駕駛桿和油門等必要的設備始終處于飛行員使用的理想位置;整體式機翼和機身已經完成對接，并完成了機翼的加載試驗;發動機已經100%就緒，XB-1選用3臺GE航空集團的J85發動機，其最大推力為54.7kN，已經通過性能測試;起落架正在生產中，剎車裝置能夠使飛機以343千米/小時的進近速度安全著陸;垂直尾翼已經安裝了內部結構，正在為蒙皮收尾做準備。

目前，Boom公司正在計劃進行XB-1的滑行測試和飛行測試，并將建造一個包括飛行測試控制室和XB-1模擬室的支持設施來進行飛行試驗，目的是將XB-1的飛行包線安全地擴展至超聲速。

Boom計劃將客艙座位分為兩列單座，保證每位乘客都能享受窗外的美景和充足的過道空間。為了盡可能減少飛行時間，飛機將在6萬英尺的高空航行，屆時每位乘客都可以透過舷窗一睹地球弧線。

如今，XB-1項目已經成為資本市場的寵兒。2019年，Boom公司就獲得了一筆1億美元的融資，助力其加速項目研發。此外，攜程也成為Boom公司的戰略合作伙伴，希望未來將這一劃時代的超聲速飛機引入中國商旅市場。

動力是關鍵

除了噪聲、成本等常見問題，決定超聲速客機項目成敗的關鍵因素是飛機動力裝置的選擇。

2018年，在美國航空航天學會（AIAA）2018年度航空峰會上，波音出人意料地公開了一款高超聲速民用飛機方案。波音表示，這款高超聲速飛機的速度將達到5倍聲速，這意味著這款飛機在倫敦飛往紐約的跨大西洋航線上只需要2個小時就可以抵達目的地。

波音還表示，經過長期的預研和論證，全尺寸渦輪基沖壓組合發動機是高超聲速飛機動力系統的最佳解決方案。但事實上，要開發一款全新的此類發動機絕非易事。尤其是在一場突發的新冠肺炎疫情之后，對于發動機制造商來說，短期內不可能花費大量的資金去研制一款全新的產品。因此，如何在發動機制造商已有產品中進行選擇，并根據需要進行改進或在現有技術的基礎上研制一款更具針對性的產品，成為了初創公司折中的選擇。

對于超聲速飛機發動機來說，較為適合的是涵道比為3～4的中等涵道比渦扇發動機。足夠低的涵道比能夠減少飛機起飛時的噪聲，同時也不會引起太多的波阻，并保證足夠高的燃油效率。對此，波音臭鼬工廠的飛行器設計與技術主任戴夫·理查森曾表示：“盡管如今新材料的發展已經能夠讓核心機的工作溫度更高，但對于超聲速飛機來說，這種循環參數并不是最理想的。相比之下，普惠公司的JT8D或GE公司的J79比如今新一代發動機更適合在超聲速飛機上使用。”正因為如此，Boom公司為XB-1選擇了J85發動機。

Aerion公司選擇的Affinity是一款雙軸的中等涵道比發動機，集成了一個類似于戰斗機的兩級風扇和CFM56/F101的核心機，有9級高壓壓氣機、單級高壓渦輪和2級低壓渦輪。它在設計上的獨特之處在于有一個低阻力的進氣錐，帶有可調后緣的固定進口導流葉片和兩級寬弦整體葉盤風扇。發動機尾部有一個復雜的陶瓷基復合材料排氣混合組件，類似的設計在GE公司的“通行證”（Passport）發動機中曾使用過。

此外，Affinity還使用了全權限數字式電子控制（FADEC）系統，被設計為既能在水面上空以Ma1.4進行超聲速巡航，又能在陸地上空高效地亞聲速飛行，而不用修改現有的適航章程。在合適的氣候環境和復雜算法的控制下，AS2能以Ma1.2在陸地上空飛行而不產生聲爆現象，并符合第五階段關于飛機起飛和降落的噪聲要求。

對此，GE公司表示：“Affinity既不是一臺渦噴發動機，也不是一臺戰斗機發動機，也不像曾經安裝在協和號上的發動機。它是介于民用發動機和戰斗機發動機兩者之間的一款產品。”

但無論是像Boom公司那樣選擇一款已有產品還是像Aerion公司那樣選擇一款新研制的產品，這些發動機與飛機的匹配性究竟如何都還是一個未知數。對于超聲速客機而言，發動機關系著飛機的噪聲、成本等諸多決定項目成敗的關鍵因素。從這個角度來看，發動機已經成為了超聲速客機何時重回市場的關鍵。

適航的挑戰

不過，盡管初創公司所描繪的超聲速客機的未來令人怦然心動，但超聲速客機要真正回歸市場還面臨著很多的困難和挑戰。

首當其沖的困難是適航。解決不了這一問題，超聲速客機的回歸便無從談起。聲爆是飛行器在超聲速飛行時產生的一種大氣聲學現象，當飛行器突破聲障時，會產生巨大的能量，這些能量傳到地面，會產生短暫而強烈的爆炸聲。因此，聲爆的強弱關系到客機能否被允許在陸地上空以超聲速飛行，若噪聲問題得不到解決，超聲速客機就很難被大眾所接受。

與此同時，相應的組織也在加快對超聲速客機噪聲標準的重新制定和相關適航工作的開展。2018年，FAA獲得立法授權，主持制定超聲速民用飛機的相關規則，其中包括指導建立噪聲標準的術語規范。該授權要求FAA在5年內完成規章制定工作，為超聲速民用飛機關鍵設計決策提供所需的規章依據。

NASA也將在2021年中期開展低聲爆飛行演示驗證，試驗對象為洛克希德·馬丁公司研發的X-59 QueSST超聲速飛機。通過收集社區響應數據，NASA將建立一個可接受的超聲速民用飛機噪聲標準，以取代現行的禁止陸地上空進行超聲速飛行的法規。

2023年至2025年，NASA將測試美國社區對飛機噪聲的反應，測試數據將提供給國際民航組織（ICAO），并計劃在2025年上半年完成噪聲標準和巡航聲爆限制規章的制定工作。

NASA在波音和洛克希德·馬丁的支持下，于2019年開展了低聲爆驗證機飛行試驗，以了解公眾對低聲爆的反應。NASA的低聲爆驗證機采用單發設計，模擬80～100座級飛機以Ma1.6～1.8的速度飛行時的激波特征。該驗證機的聲爆水平相比協和號低了一半。NASA希望通過設計更改，讓低聲爆驗證機能夠將原本巨大的聲爆減弱為低峰值聲爆。該試驗獲得的數據有望在今年提交FAA和國際民航組織。

此外，對于一款商用飛機來說，技術成功和市場成功兩者是缺一不可的。未來，超聲速飛機要避免重蹈協和號的覆轍，必須在提高經濟性上做足功課。目前，無論是Aerion公司還是Boom公司，都在可持續發展上進行了探索。

Aerion公司正在和GE公司共同努力，希望未來Affinity發動機可以使用新一代清潔能源以替代傳統的燃油，甚至未來可以實現全電動飛行;Boom公司則不僅計劃使用低碳的航空燃料，更在地面和空中試驗中都進行了100%碳中和測試。

可以說，在吸取了協和號的經驗和教訓之后，在新技術、新理念的推動下，充滿創新活力的初創企業或許能給業界帶來更多驚喜，讓我們拭目以待。