航空業(yè)會(huì)否重拾超聲速

董幗雄

近日，美國航空領(lǐng)域的初創(chuàng)公司Boom Supersonic研制的一款名為序曲（Overture）的超聲速客機(jī)收獲了來自美國聯(lián)合航空公司的訂單，而根據(jù)Boom公司的規(guī)劃，這款飛機(jī)計(jì)劃在2024年左右投產(chǎn)，2026年投入運(yùn)營。Overture會(huì)否成為繼協(xié)和號(hào)超聲速飛機(jī)之后，又一款投入市場(chǎng)的超聲速客機(jī)，從圖紙到實(shí)物，超聲速客機(jī)的商業(yè)化運(yùn)營之路還有哪些難關(guān)需要攻克成為了業(yè)界熱議的話題。

盡管人類對(duì)于高速飛行的追求由來已久，但自2003年協(xié)和號(hào)飛機(jī)退出市場(chǎng)之后，民航業(yè)再也沒有出現(xiàn)過一款可以投入運(yùn)營的超聲速客機(jī)。但近兩年來，行業(yè)又再掀起了一陣超聲速飛機(jī)的研發(fā)熱潮。近日，美國航空領(lǐng)域的初創(chuàng)公司Boom Supersonic研制的一款名為序曲（Overture）的超聲速客機(jī)收獲了來自美國聯(lián)合航空公司的訂單，而根據(jù)Boom公司的規(guī)劃，這款飛機(jī)計(jì)劃在2024年左右投產(chǎn)，2026年投入運(yùn)營。Overture會(huì)否成為繼協(xié)和號(hào)超聲速飛機(jī)之后，又一款投入市場(chǎng)的超聲速客機(jī)，從圖紙到實(shí)物，超聲速客機(jī)的商業(yè)化運(yùn)營之路還有哪些難關(guān)需要攻克成為了業(yè)界熱議的話題。

重燃超聲速夢(mèng)想

人類首次成功研制出超過聲速的飛行器是在二戰(zhàn)時(shí)期。1943年，美國研制的X-1驗(yàn)證機(jī)第一次實(shí)現(xiàn)了飛行速度1.06馬赫，這是飛行器速度首次突破聲障。

X-1 驗(yàn)證機(jī)的成功激發(fā)了人類研制民用超聲速客機(jī)的熱情。1956 年，英國成立了“超聲速運(yùn)輸飛機(jī)委員會(huì)”，該委員會(huì)聯(lián)合英國皇家飛行研究院和布里斯托爾飛機(jī)公司，共同研制超聲速客機(jī)。一段時(shí)間后，英國政府發(fā)現(xiàn)僅憑一己之力難以實(shí)現(xiàn)突破，因此在歐洲范圍內(nèi)尋求合作伙伴。

1962年，英法兩國簽署協(xié)議，雙方?jīng)Q定合作研發(fā)超聲速客機(jī)。由于多方面原因，研發(fā)過程并不順利，雙方在技術(shù)、理念上都有不小的分歧。就在同一時(shí)期，蘇聯(lián)也在研發(fā)超聲速客機(jī)。1968年，蘇聯(lián)研制的圖-144超聲速客機(jī)成功首飛，1975年投入商業(yè)運(yùn)營，開辟了航空史上的新時(shí)代。

由于飛機(jī)穩(wěn)定性差、事故率高等原因，圖-144在投入運(yùn)營3年后就退出了航線。而英法兩國在經(jīng)過十多年努力后，終于研制出協(xié)和號(hào)超聲速客機(jī)。1976 年，協(xié)和號(hào)超聲速客機(jī)完成了首個(gè)商業(yè)航班。

當(dāng)時(shí)，協(xié)和號(hào)飛機(jī)主要用于從倫敦希思羅機(jī)場(chǎng)和法國戴高樂機(jī)場(chǎng)往返紐約肯尼迪國際機(jī)場(chǎng)的航線。飛機(jī)能夠在1.5萬米高空以2.02倍聲速巡航，從巴黎飛到紐約只要3小時(shí)20分鐘，比普通民航客機(jī)節(jié)省近一半時(shí)間。然而，協(xié)和號(hào)飛機(jī)也存在著一些重大缺陷，如高昂的運(yùn)營成本和噪聲過大等問題。

2000年，法航4590號(hào)航班空難成為壓垮協(xié)和號(hào)的最后一根稻草。在諸多因素的影響下，英航和法航?jīng)Q定于同年結(jié)束協(xié)和號(hào)飛機(jī)27年的商業(yè)飛行生涯。盡管結(jié)局有些悲慘，但不可否認(rèn)，協(xié)和號(hào)飛機(jī)仍然是世界航空工業(yè)發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。

十多年后，一個(gè)名叫Blake Scholl的航空極客開始思索如何在節(jié)省一半成本的前提下，讓超聲速客機(jī)重現(xiàn)輝煌。

2014 年，Blake Scholl 在美國丹佛市創(chuàng)立了一家名為 Boom Supersonic的公司，這一次超聲速客機(jī)的研發(fā)似乎又離市場(chǎng)近了一步。

Boom的大膽嘗試

Boom公司在研制超聲速客機(jī)的原型機(jī)之前，先制造了一架名為XB-1的演示驗(yàn)證機(jī)，一方面是希望通過驗(yàn)證機(jī)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)原則、駕駛艙人機(jī)工程學(xué)、飛行包線等技術(shù)，另一方面也希望其可以延續(xù)全球首款超聲速飛機(jī)X-1的輝煌。

XB-1 原型機(jī)尺寸是未來量產(chǎn)版 Overture 超聲速客機(jī)的三分之一，外形設(shè)計(jì)上與協(xié)和號(hào)十分相似。XB-1原型機(jī)只有兩個(gè)座位，其作用是用來驗(yàn)證全尺寸 Overture 超聲速客機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)，其中包括高效的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、先進(jìn)復(fù)合材料和高效的推進(jìn)系統(tǒng)等。

考慮到運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性，Boom公司設(shè)計(jì)的超聲速客機(jī)全長52米，翼展18米，巡航速度2.2馬赫，比協(xié)和號(hào)飛機(jī)更快，最大航程可達(dá)8300 公里。飛機(jī)客艙布局寬敞，與普通民航客機(jī)一樣，設(shè)有觸摸屏、工作臺(tái)、艙頂行李架以及更大的舷窗。根據(jù)設(shè)計(jì)，Overture 超聲速客機(jī)頭等艙可搭載30名乘客，商務(wù)艙可搭載15名乘客。如果客艙全部按商務(wù)艙配置，最多可搭載 55 名乘客。

2016 年，Boom 公司公布了飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)圖。Overture 超聲速客機(jī)采用展弦比為1.5的復(fù)合三角翼布局，機(jī)身使用碳纖維材料。在Boom公司的設(shè)計(jì)下，XB-1的機(jī)身最高可承受超過300F149℃的溫度，同時(shí)XB-1的流線型設(shè)計(jì)可以減小阻力并優(yōu)化飛行效率。動(dòng)力方面，采用3臺(tái)推力為67千牛至89千牛的中涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。為了降低油耗，發(fā)動(dòng)機(jī)將不帶加力燃燒室。

過去幾年里，不少人質(zhì)疑Overture項(xiàng)目會(huì)走協(xié)和號(hào)的老路，但 Boom公司表示，由于XB-1 在空氣動(dòng)力學(xué)、材料和發(fā)動(dòng)機(jī)三方面較協(xié)和號(hào)飛機(jī)有了相當(dāng)大的改進(jìn)，因此公司非常有信心這款飛機(jī)將獲得商業(yè)成功。

新材料、新技術(shù)與新理念的應(yīng)用

相比依靠風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)的協(xié)和號(hào)，Boom采用了計(jì)算機(jī)虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)，不僅提高了試驗(yàn)效率，也提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在材料方面，XB-1 驗(yàn)證機(jī)采用與波音787類似的復(fù)合材料，整機(jī)質(zhì)量比協(xié)和號(hào)要輕了不少。

在動(dòng)力方面，Overture 將采用先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，與主流亞聲速飛機(jī)相仿，對(duì)于航空公司來說不必承擔(dān)額外的燃油費(fèi)用。從目前已經(jīng)完成的模擬飛行結(jié)果來看，與協(xié)和號(hào)相比，XB-1驗(yàn)證機(jī)的燃油效率提高了近30%。

從用戶體驗(yàn)的角度來說，Boom 計(jì)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(shí)間，飛機(jī)將在6萬英尺的高空航行，每位乘客都可以透過舷窗一睹地球弧線。

此外，XB -1驗(yàn)證機(jī)還采用了前視視覺系統(tǒng)，可創(chuàng)建跑道的虛擬試圖。這一系統(tǒng)包括兩個(gè)沉余攝像頭、一個(gè)多功能顯示器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，這一技術(shù)相對(duì)于之前的協(xié)和號(hào)飛機(jī)，將大大降低飛行員操控飛機(jī)的難度。

同時(shí)，為了加快項(xiàng)目進(jìn)度，Boom公司還大膽采用了3D打印技術(shù)。據(jù)公開信息顯示，XB-1驗(yàn)證機(jī)定制的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包括3700多個(gè)零件，其中包括起落架、飛行控制執(zhí)行器和冷卻系統(tǒng)等，為了提高生產(chǎn)效率，Boom公司與Stratasys公司合作通過3D打印技術(shù)大大提高了生產(chǎn)效率，與VELO 3D打印公司合作，研發(fā)通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)可用于飛機(jī)關(guān)鍵部位的最終零部件。

針對(duì)航空業(yè)對(duì)環(huán)保的要求日益嚴(yán)苛，Boom公司與合作伙伴一起探索可持續(xù)航空燃料在XB-1驗(yàn)證機(jī)上的使用。Boom的合作伙伴Prometheus燃料公司采用可再生能源中的電能從空氣中提取二氧化碳，去除氧氣，然后將其與氫氣結(jié)合形成碳?xì)浠衔锶剂?。目前，Boom公司已經(jīng)在地面試驗(yàn)中對(duì)這種可持續(xù)航空燃料進(jìn)行了測(cè)試。

當(dāng)然，XB-1只是驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，所有的試驗(yàn)驗(yàn)證都是為后續(xù)的Overture項(xiàng)目所服務(wù)的。根據(jù)Boom公司公布的信息，Overture超聲速客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)將由羅羅公司研制，飛機(jī)機(jī)身63米，座位數(shù)在65個(gè)至88個(gè)，飛行速度可達(dá)到1.7馬赫，飛行高度1.8萬米。

超聲速重返市場(chǎng)仍有諸多挑戰(zhàn)

對(duì)于一款商用飛機(jī)來說，技術(shù)成功和市場(chǎng)成功兩者缺一不可。超聲速客機(jī)面臨的首要問題是乘客接受度和運(yùn)營舒適性的挑戰(zhàn)。以早前 X-42、X-51 無人試驗(yàn)飛行器來說，盡管速度能夠達(dá)到聲速的7 倍，但將技術(shù)應(yīng)用到商用領(lǐng)域時(shí)，還必須考慮到人體的承受極限和對(duì)環(huán)境的影響。

目前來看，超音速客機(jī)要投入商業(yè)運(yùn)營還有幾個(gè)難關(guān)需要攻克。首當(dāng)其沖的是聲爆和油耗這兩大技術(shù)難題。無論是協(xié)和號(hào)還是圖-114，在商業(yè)運(yùn)營時(shí)都由于未能解決好聲爆和油耗的問題，大大降低了市場(chǎng)競(jìng)爭力。其中，聲爆是飛行器在超聲速飛行時(shí)產(chǎn)生的一種大氣聲學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)飛行器突破聲障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，這些能量傳到地面，會(huì)產(chǎn)生短暫而強(qiáng)烈的爆炸聲。因此，聲爆的強(qiáng)弱關(guān)系到超聲速客機(jī)能否被允許在陸地上空飛行，若噪聲問題得不到解決，超聲速客機(jī)就很難被大眾接受。

針對(duì)油耗問題，如上文所說Boom公司正在探索使用可持續(xù)航空燃料的可能。但眾所周知，目前可續(xù)持航空燃料的價(jià)格要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)航空燃油，因此短期來看，Overture項(xiàng)目通過使用可持續(xù)航空燃料的方式來降低燃油成本的可能性很小。

若采用傳統(tǒng)燃油的話，目前在研的超聲速飛機(jī)的燃油效率要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)飛機(jī)。不同于普通商用飛機(jī)采用的渦輪 / 渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，超聲速客機(jī)要從零加速到高速，其發(fā)動(dòng)機(jī)必須兼具低速和高速推進(jìn)加速能力，還要實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行的水平起降，因此一般只能采用以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，盡管有多家發(fā)動(dòng)機(jī)制造商已經(jīng)參與了超聲速客機(jī)的研制，但距離真正的商業(yè)應(yīng)用還有許多挑戰(zhàn)。根據(jù)美國國際清潔交通委員會(huì)的建模測(cè)試顯示，每名超聲速客機(jī)乘客的燃料消耗量是亞聲速飛機(jī)的5倍，這意味著當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在降低超聲速客機(jī)的二氧化碳排放方面還有很大的進(jìn)步空間。

為了攻克這些技術(shù)難題，近年來航空業(yè)一直沒有停止過探索。如為了降低聲爆，NASA在波音和洛克希德·馬丁公司的支持下，開展了低聲爆驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)，以了解公眾對(duì)低聲爆的反應(yīng)。NASA的低聲爆驗(yàn)證機(jī)采用單發(fā)設(shè)計(jì)，將模擬80座級(jí)至100座級(jí)、Ma1.6至1.8飛機(jī)的激波特征。該驗(yàn)證機(jī)的聲爆水平相比協(xié)和號(hào)低了一半。NASA 希望通過設(shè)計(jì)更改，讓低聲爆驗(yàn)證機(jī)能夠?qū)⒃揪薮蟮穆暠瑴p弱為低峰值聲爆。Boom公司則正在與羅羅公司合作，雙方希望通過研發(fā)燃油效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品來降低超音速客機(jī)的運(yùn)營成本。雙方的研發(fā)目標(biāo)是使Overture超音速飛機(jī)的運(yùn)營成本比協(xié)和號(hào)飛機(jī)低75%，預(yù)計(jì)票價(jià)與當(dāng)前民航客機(jī)的公務(wù)艙價(jià)格接近。