超聲速客機簡史

倪妮

X- 59試驗機機身長約30.3米，寬約9米，細長的錐形機頭幾乎占據(jù)飛機長度的1/3。

2024 年1月12日，美國國家航空航天局（NASA）與航空公司洛克希德·馬丁公司共同推出靜音超聲速飛機X-59試驗機，它將于2024年內實現(xiàn)首飛。據(jù)NASA介紹，X-59的飛行速度預計達到1.4馬赫，即聲速的1.4倍，時速為1489公里。NASA期望利用這架試驗機收集數(shù)據(jù)，為新一代超聲速飛機的商業(yè)化應用鋪平道路。

半個世紀以前，超聲速飛機就實現(xiàn)過商業(yè)化。1947年，美國貝爾飛機公司推出火箭動力試驗機XS-1，這架飛機之后更名為X-1，在1.3萬米的高空飛行時速度達到1.06馬赫，成為有史以來全球第一架飛行速度超過聲速的飛機，超聲速飛機研發(fā)的“黃金時代”由此開啟。

1960年代，超聲速客機的研發(fā)項目在英國、法國、蘇聯(lián)和美國等國密集出現(xiàn)，航空業(yè)進入大國競賽階段。英國和法國簽署了共同研制超聲速客機的合作協(xié)議，研發(fā)費用由兩國政府平攤，彼時的法國總統(tǒng)戴高樂親自將該計劃命名為“協(xié)和”（Concorde）。蘇聯(lián)的超聲速客機研究也經彼時的最高領導人赫魯曉夫和蘇聯(lián)部長會議批準后立項，圖波列夫設計局負責研發(fā)。1968年，圖波列夫圖-144（Tupolev Tu-144）超聲速客機試飛，英法共研的協(xié)和式客機則緊隨其后于次年試飛。1976年，協(xié)和式客機率先投入使用，其最高飛行速度達到2.04馬赫。第二年，圖-144客機也開始客運，時速為2.15馬赫。協(xié)和式客機與圖-144由此成為迄今僅有的兩款成功商業(yè)化的超聲速客機。

想要實現(xiàn)超聲速飛行，需要做好氣動設計，同時為飛機提供足夠強勁的動力。飛機飛行時會壓縮前方空氣，形成的壓力波以聲速傳播，在0.8到1.2馬赫之間的跨聲速階段，如果壓力波的傳播速度等于或小于飛機前進速度，后續(xù)的壓力波會和已有的壓力波疊加，形成激波和音障。所以設計超聲速飛機的首要考慮因素就是降低飛機自身的阻力系數(shù)，以避免在跨聲速階段形成波阻極大的正激波。

在動力方面，美國國家航空航天博物館一份獲贈的藏品信息顯示，協(xié)和式客機采用了奧林匹斯593發(fā)動機，它最早由布里斯托·西德利公司和斯奈克瑪公司專為協(xié)和式客機的超聲速巡航設計，在1975年獲得完全認證，推力達到178千牛，是當時全球推力最大的渦輪噴氣式發(fā)動機。

商業(yè)化應用的超聲速飛行能給乘客帶來前所未有的體驗。如今，從倫敦飛紐約一般需要8小時，而在1996年2月7日，協(xié)和式客機從倫敦飛抵紐約僅耗時2小時52分鐘59秒。2馬赫的巡航速度使得客機能夠追上地球自轉的速度，從歐洲飛往紐約的航班在太陽落山后起飛，能夠趕得上太陽，讓乘客欣賞到太陽從西邊升起的奇觀，英國航空為此還打出了“未出發(fā)，先到達”的廣告。

不過協(xié)和式客機僅限于跨洋航線，原因無他—超聲速不可避免地會產生“音爆”（Sonic Boom），這種超過100分貝的噪音會令地面居民無法忍受。這也是美國缺席超聲速客機商業(yè)化運營的重要原因。

其實在1960年代，美國也曾急于在超聲速客機的研發(fā)上趕超英、法、蘇的步伐。時任總統(tǒng)肯尼迪宣布政府將贊助超聲速客機（Supersonic Transport，SST）的商用開發(fā)，但要滿足3個條件：技術上必須可行，生產和運營必須具有成本效益，工程師必須防止音爆騷擾居民。然而未曾想，之前被視為“最簡單”的音爆問題一直無法有效處理。1971年美國國會終止了SST項目，兩年后，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）禁止民用超聲速飛機飛行越過陸地的規(guī)則生效，民用飛機的飛行速度不得大于1馬赫。

超聲速客機研發(fā)初期，首要追求的是速度，噪音并不受重視，因為試驗場無人聚居，直到超聲速技術落地應用，音爆問題才浮出水面。

飛機在空氣中飛行有如魚在水中游，加速時擾動空氣的聲波像水面漣漪一樣向周圍擴散，“飛行速度達到或超過聲速時，飛機在空氣中產生的擾動波疊加變成激波，這個激波傳播到人耳中聽起來就像是爆炸聲”，西安航空學院教師、航空知識博主梁毅辰對《第一財經》雜志解釋道。他曾在試驗場聽到過一架超聲速戰(zhàn)斗機的音爆聲，“就像是一架重型卡車在我附近突然爆胎，胸腔疼痛，還出現(xiàn)了耳鳴”。

964年2月，美國選定俄克拉荷馬城開展音爆的耐受性測試，洛克希德F-l04戰(zhàn)斗機模擬客機在城市上空飛行，每天都會產生8次音爆聲。測試持續(xù)了5個月，僅飛行的第一周，F(xiàn)AA就收到了655起投訴。5個月內，居民們忍受了近1200次音爆，投訴信和投訴電話幾乎淹沒FAA，居民們抗議音爆測試導致家中的瓷器、鏡子、窗戶破碎，電視接收信號常常被擾亂，一些人神經衰弱到不得不服用鎮(zhèn)定劑。公共輿論開始反對超聲速客機的推廣。

音爆的噪聲通常超過110分貝，即使飛機在萬米以上的高空航行，地面的居民依然能夠聽見雷鳴般的噪音。長時間接收超過70分貝的噪音可能會損害聽力，超過120分貝的噪音會對聽力造成直接傷害。在美國，機場噪聲大于75分貝時，周圍就不允許新建住宅。

在梁毅辰看來，音爆無法從根本上解決，只能通過盡可能優(yōu)化機身的外形設計減少空氣阻力，從而降低噪音，“減少空氣激波阻力的重要設計是讓飛機橫截面的變化幅度盡可能的小”。

此次NASA推出的X系列飛機也并不能消除音爆，只是通過流線型設計使噪聲最小化，讓地面上的人難以察覺，“超聲速的研究有許多空氣動力學方面的突破，比如機頭設計成尖頭、采用后掠翼或者三角翼、機身設計更修長、腰部收縮等，都是為了減少超聲速飛行時的激波阻力。”梁毅辰說。

協(xié)和式客機和圖-144客機的外觀就很相似，它們的機頭呈錐形而非亞聲速客機的圓潤鈍形，飛機尾部的三角形機翼也和亞聲速客機的寬大翼展形成鮮明對比。

而最新的X-59試驗機外形更是科技感十足：機身長約30.3米，寬約9米，細長的錐形機頭幾乎占據(jù)飛機長度的1/3，駕駛艙只能處于機身的中間位置。由于沒有朝前的窗戶，研發(fā)者開發(fā)了外部視覺系統(tǒng)，由高分辨率攝像機捕捉外部景象，駕駛員通過駕駛艙內的4K顯示器觀察外界。NASA方面稱，X系列飛機的外形設計可分散多個沖擊波并最大程度減弱其累積效應，僅產生柔和的撞擊聲，類似于關上轎車車門的聲音。

2016年，NASA啟動“安靜的超聲速技術”研究，X-59就是最新的研發(fā)成果，試飛成功后它會前往更多城市開展聲學測試，NASA期望測試數(shù)據(jù)能夠滿足FAA的噪聲標準，進而解除超聲速客機在陸地飛行的禁令。

雖然超聲速飛機此前已投入運營，但其商業(yè)化的歷史很短暫。圖波列夫圖-144僅執(zhí)飛過102次商業(yè)航班，其中只有55次載有乘客，執(zhí)飛時間不足一年。1978年6月，一架改裝的圖-144客機在交付前的試飛中墜毀，蘇聯(lián)民用航空部順勢終止了圖-144的客運生涯，協(xié)和式客機也在2003年完成最后一次飛行后退出了歷史舞臺。

除了音爆噪聲，運營成本居高不下也是航空公司拋棄超聲速客機的主要原因。協(xié)和式客機為實現(xiàn)超聲速飛行選擇了推力強勁的發(fā)動機，加劇了燃油消耗，將協(xié)和式客機與它重量相近的波音767客機比較，協(xié)和式客機平均每公里的人均耗油量幾乎是波音767的4倍。正因如此，在環(huán)保方面，超聲速客機的表現(xiàn)在上個世紀就被認為是“不可持續(xù)”的。

面對協(xié)和式客機高油耗的缺點，在低油價時代，航空公司還可以通過高票價搭配高端服務的策略保證盈利。在1970年的大阪世博會上，協(xié)和式客機拿下了70架的訂單。然而，1973年的石油能源危機使得航司開始看重燃油使用的性價比，大部分航空公司撤回訂單，只有英航和法航在兩國政府的資助下采購了16架。執(zhí)飛二十余年的協(xié)和式客機在歷史上共計量產20架，只有14架投入了商業(yè)運營。

航線范圍的限制疊加燃油成本，導致協(xié)和式客機的票價高得驚人。協(xié)和式客機從歐洲到紐約的往返機票平均售價高達1.2萬美元，在2003年更是一度達到1.35萬美元。所以，乘坐超聲速飛機“逐日”的奇妙體驗注定只能屬于少數(shù)人，體驗過協(xié)和式客機的乘客基本是皇室政要、明星與企業(yè)高管，英國前女王伊麗莎白二世與黛安娜王妃就曾是協(xié)和式客機的“座上賓”。

事實上，超聲速客機本身的載客量也很有限。為減少飛行時的阻力，超聲速客機應用了流線型機身，這意味著更狹長的機載空間，以及更少的載客量。例如，協(xié)和式客機的機身長度為61米，寬度為2.7米，最大載客量為100人。而同時期的波音767-300寬體式客機的長度為54.9米，寬度為5.03米，最大載客量351人。

超聲速客機大事記

資料來源：NASA官網及公開資料

航空公司為了經濟效益，終歸需要考慮更廣大的乘客群體，符合噪音標準的亞聲速客機或許才是未來客機更切實的選擇，其巡航速度大多在0.8至0.9馬赫之間。航空公司還可組合國際和國內航線發(fā)售機票，將客機利用率做到最大化。

航空咨詢公司睿思譽（Cirium）的高級顧問Richard Evans曾分析，常規(guī)亞聲速客機每年的累計飛行時間平均為4000至5000小時，這是為了攤銷每架飛機每個座位的成本，但協(xié)和式飛機從未達到這種利用率水平，每年大約只能飛行1000小時。

超聲速客機與普通客機的對比

信息來源：中國民用航空局及公開資料

盡管超聲速客機仍有音爆、成本效益、環(huán)保等問題有待解決，業(yè)內依然有樂觀玩家在積極嘗試，并研發(fā)出一系列新技術。

2018年，攜程旅行宣布戰(zhàn)略投資美國的超聲速飛機制造商Boom Supersonic（以下簡稱“Boom”）。Boom公司設計的Overtune超聲速客機計劃載客量為64至80名乘客，速度為1.7馬赫，是波音787或空客A350等寬體飛機的兩倍，這款客機計劃在2026年首飛，并在2029年投入商業(yè)化運營。

Overture客機被稱為“協(xié)和之子”，不過Boom公司稱，其飛機的運營成本將比協(xié)和式客機低75%，從一開始就可以開通全球五百多條航線，而協(xié)和式客機直到退役時，航線僅限于倫敦到紐約。Overtune客機的售價為2億美元，尚未問世就已經收到了130個訂單，其中，美國聯(lián)合航空公司訂購了15架，美國航空公司宣布訂購20架。

西北工業(yè)大學超聲速客機研究中心于2019年在《空氣動力學學報》發(fā)布的論文里，提到了變循環(huán)發(fā)動機技術，它能夠兼顧亞聲速和超聲速兩種飛機發(fā)動機的優(yōu)點，同時實現(xiàn)低油耗和強推力，將成為發(fā)展新一代環(huán)保型超聲速客機的關鍵技術之一。

有關航空客機的技術研發(fā)，除了追求速度，材料也是近些年的研究熱門。原先制造飛機的材料主要是鋁合金和鎂合金，梁毅辰介紹，如今越來越多的客機開始使用碳纖維、玻璃纖維等增強的復合材料，空客350和空客787的復合材料占比已接近甚至超過了50%，未來還可能更高，“復合材料的最大好處就是結構更加抗疲勞，使用壽命可能更長。同時，重量更輕，就會更省油、更環(huán)保”。

在低碳節(jié)能方面，歐洲宇航防務集團（EADS）在2011年的巴黎航展上推出了“零排放超聲速客機”（ZEHST）的概念機，當時預計在2020年開始測試飛行，期望能在2050年投入使用。

美國公司Spike Aerospace則另辟蹊徑，計劃推出小型公務機，它的在研產品是SpikeDiplomat公務機，載客數(shù)量只有18人。該公司稱，這將是第一架采用空氣動力學設計、擁有獨家靜音超聲速飛行技術的飛機，能夠以1.6馬赫的巡航速度運行，且不會產生令地面上的人不安的音爆。

相較于超聲速客機未來的普遍應用，梁毅辰更看好公務機這一細分領域的商業(yè)化前景，“國內的短途航程從3小時縮減至2小時，乘客不一定會買單，但是跨國旅程從12小時縮短為6小時，就可能是本質區(qū)別。”