錢錕

先贏一步

目前，比較有代表性的超聲速公務機設計方案包括美國國際超聲速宇航公司與洛克希德·馬丁臭鼬工程隊聯(lián)合提出的“安靜超聲速公務機”方案（QSST），日本宇航研究開發(fā)機構提出的“安靜超聲速技術驗證機”計劃（S3TD），以及美國Aerion集團提出的“超聲速公務機”方案（SSBJ）。

QSST采用大后掠角三角翼鴨式氣動布局。鴨翼靠前，飛行時，大力矩帶來正升力配平，顯著減小了主翼面載荷。缺點也明顯，因為機翼后掠角大，翼展較小，誘導阻力增大，導致亞聲速飛行時升阻比降低；無法安排足夠長的后緣襟翼，使飛機起降時難以獲得足量額外升力。特別是在降落時，飛行員需增大機身迎角把飛機速度降下來，操作難度不小。飛機滑跑距離也比較長，無法用于中小機場。

S3TD采用了雙后掠角箭形機翼常規(guī)氣動布局。機翼內段前緣被設計成大后掠角，而且機翼后緣也后掠，超聲速飛行時激波阻力最小；機翼外段設計成小后掠角，以增加機翼展弦比，并設計了翼梢小翼，以降低誘導阻力。S3TD采用正常布局，超聲速巡航時，平尾帶來負升力配平，無形之中增加主翼面載荷，導致其聲爆強度高于鴨式布局。箭形機翼展弦比大，為了滿足強度和剛度要求，要付出增大機身結構重量的代價。

SSBJ采用了小展弦比梯形翼機翼正常式氣動布局。其優(yōu)點是亞聲速氣動效率較好，誘導阻力較小；可布置足夠展長的后緣襟翼，提升飛機起降性能。缺點是其梯形機翼可使機翼橫截面積突然增加，既不利于減小超聲速激波阻力，也不利于減小聲爆強度。另外，小展弦比的梯形翼結構效率一般，僅比S3TD的機翼布局稍強。

如果這么比下去，在3種方案中，SSBJ看似是最差的。但是，就目前的研發(fā)進展來看，SSBJ已經(jīng)投入25～30億美元研制經(jīng)費，投入規(guī)模最大，研制進度最快，很有可能成為世界上第一種投入運營的超聲速公務機。而且SSBJ已經(jīng)取得了50架意向訂單，總金額高達40億美元，成績不俗。SSBJ反敗為勝，有何奧秘？原來，Aerion集團獨辟蹊徑，和NASA德萊頓飛行研究中心展開合作，采用超聲速自然層流翼型技術，大幅降低了SSBJ的超聲速巡航阻力，全尺寸流體試驗顯示總阻力降低20%，使其超聲速巡航升阻比提高到11以上（其他兩個方案同數(shù)值都在9左右）。此外，SSBJ還采用了跨聲速聲爆消減技術，使得其低聲爆性能在3種方案中名列第一。（其原理詳見本刊2014年第9期《圖解超級聲爆》）

NASA大幫忙

研究表明，無論是在亞聲速還是超聲速巡航狀態(tài)，摩擦阻力都在飛機所受到的總阻力中占有很大的比例。在超聲速巡航狀態(tài)下，摩擦阻力可占到總阻力的40%以上。因此，減少摩阻對改善民機性能和降低成本具有重要意義。

根據(jù)實驗，粘性流體存在著兩種流態(tài)，即層流和湍流。附面層的流動也因此有層流附面層和湍流附面層之分。附面層氣流從機翼前緣開始，先形成層流附面層，逐漸累積超過一定極限時，就開始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，并逐漸過渡為湍流附面層。通俗一點說，湍流附面層更粘，更亂，飛行時產(chǎn)生的摩擦阻力更大。因此擴大飛機表面的層流附面層區(qū)域，甚至實現(xiàn)全層流流動，是減小摩擦阻力最重要途徑。

顯然，在飛機超聲速飛行時，把氣流附面層產(chǎn)生的極高阻力降下來，絕非易事。SSBJ之所以敢為天下先，采用超聲速自然層流翼型，要得益于NASA強大的技術儲備。NASA相關研究早在1959年就已經(jīng)展開，其試驗機平臺是當時美國飛得最快的戰(zhàn)斗機F-104。NASA發(fā)現(xiàn)，在特定飛行條件下，在F-104的主翼下表面會形成一個層流附面層產(chǎn)生的三角區(qū)，其最大長度為機翼弦長的60%。

NASA真正參與到SSBJ項目的時間是1999年。NASA德萊頓飛行研究中心和Aerion集團合作，將一個三分之一縮比、翼展3英尺（約0.91米）的SSBJ試驗機翼（迎角可調）安裝到836號F-15B試驗機的機腹掛架上。在F-15B機翼下方，同時安裝一臺中波紅外照相機，以便對試驗機翼進行拍照。在相同條件下，由于層流摩擦阻力遠遠低于湍流摩擦阻力，層流附面層的氣動加熱也顯著低于后者。所以，在紅外照相機鏡頭下，試驗機翼前緣氣流滯止區(qū)和湍流附面層區(qū)域氣動加熱明顯，溫度高，顯示為亮色區(qū)，而層流附面層區(qū)域則相反，顯示為深色區(qū)。因此，科學家可以通過這臺中波紅外照相機拍下的圖像，方便地觀察試驗機翼表面層流向湍流的轉折過程。例如，在飛行馬赫數(shù)1.8、試驗機翼的飛行迎角為1度時，紅外照片顯示，在試驗機翼80%的區(qū)域內產(chǎn)生了層流附面層。不過，由于試驗機翼面積較小，而且不免受到F-15B機腹附近復雜流場的干擾，實驗結果與計算機模擬結果相比，精度誤差較大。

為了取得更為精確的試驗數(shù)據(jù)，2010年NASA將一個接近1：1的自然層流翼型機翼試驗段安裝到同一架F-15B上，重新進行超聲速飛行試驗。新的機翼試驗段，其弦長達到80英寸（約2.03米），寬度為40英寸（約1.02米），完全可以模擬真實流場下的飛行。2011年， F-15B完成了一系列飛行試驗，試驗精度大幅提高，其結果顯示，在全尺寸機翼試驗段上，層流附面層的覆蓋區(qū)域從50%拓展到了100%；但層流向湍流轉折的延遲程度，取決于不同的飛行條件。

利用實驗結果，SSBJ率先采用超聲速自然層流翼型技術，把翼型相對厚度減小，以至于機翼容積被壓縮到?jīng)]有空間布置機翼油箱；機翼翼型前緣非常尖削，最大厚度處非?？亢?，使得層流附面層對機翼產(chǎn)生的壓力呈梯次遞減，非常順暢，產(chǎn)生湍流附面層的時間大幅延后。同時，SSBJ采用了小后掠角小展弦比梯形機翼，減少機身橫向氣流造成的附面層堆積，擴大了機翼層流范圍；通過改進制造工藝，保證機翼表面的超高光潔度，讓機翼表面超過90%的面積實現(xiàn)層流流動。也就是說，層流附面層成分為主，流動通暢，不會輕易形成湍流附面層及其所造成的沉重“包袱”。

為了擴大機翼的層流附面層范圍，SSBJ的機翼的數(shù)項關鍵設計參數(shù)做出重大調整，首先是機翼的平面形狀，在邊條翼和主機翼結合處增加了缺口設計；其次是對邊條翼和主機翼結合處的機翼進行了扭轉處理，尖削的翼型前緣向下扭轉，以擴大邊條翼結合處的層流附面層范圍。扭轉設計更重要的作用是，使厚前緣/大后掠角的邊條翼前緣所拖出的上洗渦流沿著尖削前緣/小后掠角的主翼前緣流動，而非沖擊主翼上翼面，從而避免破壞經(jīng)過主翼上翼面的層流附面層。endprint

相比之下，QSST由于沒有采用層流翼型技術，在機翼前緣附近就出現(xiàn)湍流附面層，使得其機翼表面僅實現(xiàn)10%的層流流動。而S3TD方案考慮到了機翼層流控制問題，在機翼前部加速區(qū)盡量減小橫流區(qū)的范圍，來抑制橫流所產(chǎn)生的不穩(wěn)定性，在機翼中部則盡量保持附面層壓力梯度，以抑制流向不穩(wěn)定性，兩者結合，使機翼表面實現(xiàn)40%的層流流動，但減阻效果仍然遠遜于SSBJ。

除了超聲速自然層流翼型本身的設計之外，SSBJ的機身、發(fā)動機短艙、翼身融合體的細節(jié)設計同樣可以影響層流附面層的范圍大小，因此必須進行優(yōu)化設計。

為了擴大機翼的層流附面層范圍，SSBJ的翼身融合體氣動外形進行了特殊優(yōu)化設計，機身截面積軸向呈現(xiàn)獨特的波浪狀曲線，使機翼上、下表面的等壓線沿機翼展向呈線性分布，也就是平行于機翼前緣，從而進一步減小橫流不穩(wěn)定性，減小超聲速摩擦阻力。

研究人員發(fā)現(xiàn)，機身橫截面本身的設計對于擴大機翼的層流附面層范圍影響巨大。為了滿足超聲速面積律的設計要求，減小激波阻力，SSBJ在機翼上方機身主體必須設計成狹長的“收縮-擴張”形態(tài)，以應對機身截面積在小后掠角梯形機翼站位處的突變。而為了擴大機翼的層流附面層范圍，減小摩擦阻力，機翼下方的機身則必須反其道而行之，設計成“擴張-收縮”形態(tài)。技術人員對兩種互相沖突的設計要求進行了折中處理，最終做到飛機在馬赫數(shù)1.5巡航時，所受到的總阻力最小。

飛機重量越小，聲爆強度就越低；飛機長細比越大，聲爆強度越低。SSBJ的最大起飛重量只有40 823千克，重量只有波音737-800的一半，其機身長度達到40.5米，比機身長 39.5 米的波音737-800還要長，而其機身橫截面則要遠遠小于波音737。因此，瘦長苗條的SSBJ有利于減小聲爆強度。

超聲速民機接班人？

飛行高度越高，聲爆強度越低；飛行馬赫數(shù)越小，聲爆強度越低。SSBJ的巡航高度為15 545 米，高于目前多數(shù)公務機的使用升限。相對于其他兩種方案（巡航速度定為馬赫數(shù)2.0），SSBJ超聲速巡航定為馬赫數(shù)1.6之下，思路非?，F(xiàn)實。

SSBJ以馬赫數(shù)1.5進行超聲速巡航時，具有4200海里（約7 778千米）航程，從紐約到巴黎只需4小時14分。比起乘坐灣流公司飛行速度最快的G650（馬赫數(shù)0.9），SSBJ飛躍大西洋的時間可節(jié)省2小時47分鐘。而SSBJ從紐約至東京可在9小時33分內到達，其中還包括在安克雷奇停留一小時進行加油的時間，即使如此，也要比乘坐G650以馬赫數(shù)0.87（中間無落地停留）飛行同樣里程的時間快兩個多小時。時間，對于那些如同空中飛人般的商務人士，才真的是金錢。

即使同其他兩種超聲速公務機相比，SSBJ的性能優(yōu)勢同樣明顯。QSST和S3TD都將巡航速度設定在馬赫數(shù)2.0，看似巡航速度超過SSBJ，但是其使用靈活性遠遜于SSBJ，更不要談運營成本了。SSBJ的最大特點就是設定了3檔經(jīng)濟巡航速度，分別是：高亞聲速巡航——馬赫數(shù)0.95，最省油，航程可達4600海里（約8 519千米）；跨聲速聲爆消減巡航——馬赫數(shù)1.1～1.2，無聲爆，但耗油率最高，航程3600海里（約6 667千米）；超聲速巡航——馬赫數(shù)1.5，低聲爆，耗油率居中，航程達4200海里。這樣，SSBJ在美國大陸上空可選用高亞聲速巡航，提高航程；而在海洋無人區(qū)上空可選用馬赫數(shù)1.5超聲速巡航，提高速度；而在美國之外的發(fā)達國家上空可選用跨聲速聲爆消減巡航，保持超聲速飛行。這樣一來，即使在大陸上空，QSST和S3TD由于沒有消減聲爆的技術，只能進行亞聲速飛行，不僅巡航效率大幅降低，而且飛行速度反而要慢于進行超聲速飛行的SSBJ。

SSBJ具備較強的性能優(yōu)勢，但是運營成本卻十分低廉，其每海里運營成本甚至于還要低于某些亞聲速公務機，可算物美價廉。SSBJ有沒有可能成為“協(xié)和”的第一個接班人？時間會給出答案。

責任編輯：吳佩新endprint