■ 付玉 / 中國航發(fā)研究院

盡管目前仍處于新冠肺炎疫情期間，但新一代超聲速飛機(jī)的研發(fā)仍在持續(xù)推進(jìn)。航空航天初創(chuàng)企業(yè)艾利安（Aerion）公司、博姆（Boom）公司，以及斯派克（Spike）航空航天公司仍堅(jiān)信超聲速飛行是航空業(yè)未來的發(fā)展方向。

AS2概念設(shè)計(jì)圖

雖然“協(xié)和”已停飛了16年，但人類超越聲速的夢想始終存在。高昂的運(yùn)營成本，后期的維修保養(yǎng)費(fèi)用，以及突破聲障時(shí)的振動(dòng)及噪聲等，一度阻礙了超聲速客機(jī)的發(fā)展之路。近年來，艾利安（Aerion）公司、博姆（Boom）公司、斯派克（Spike）航空航天公司等初創(chuàng)企業(yè)紛紛在超聲速領(lǐng)域發(fā)力，競相成為第一個(gè)將超聲速客機(jī)推向市場的公司。航空界正在經(jīng)歷新一輪的超聲速客機(jī)研發(fā)熱潮，超聲速客機(jī)的商業(yè)大門正在開啟。

超聲速客機(jī)項(xiàng)目最新進(jìn)展

艾利安的AS2項(xiàng)目

艾利安公司于2004年開始研發(fā)超聲速公務(wù)機(jī)AS2，并于今年公布了AS2的最終設(shè)計(jì)：采用全新的后掠三角翼來取代層流設(shè)計(jì)，以獲得更好的全方位性能。飛機(jī)機(jī)長44m，翼展為24m，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(fā)動(dòng)機(jī)在低功率起飛階段滿足噪聲規(guī)定。雖然目前對機(jī)體活動(dòng)面尚未給出具體細(xì)節(jié)，但后緣襟翼被認(rèn)為支撐著一組高速內(nèi)側(cè)襟副翼、中跨襟翼和外側(cè)低速副翼，前緣襟翼內(nèi)側(cè)由固定部分組成，看似包含了層流處理機(jī)構(gòu)，活動(dòng)面幾乎從發(fā)動(dòng)機(jī)短艙延伸到翼尖。同時(shí)，AS2采用了軸對稱的外壓式進(jìn)氣道，該進(jìn)氣道前部包括一個(gè)可自動(dòng)控制的變幾何部分，通過可以縱向平移的尖角來改變進(jìn)氣道內(nèi)部錐形斜面的角度，從而改變流量，使氣流降速增壓，防止進(jìn)氣道畸變的產(chǎn)生，使發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)所有的速度狀態(tài)。艾利安公司稱，AS2嚴(yán)格符合美國聯(lián)邦航空局（FAA）提出的噪聲認(rèn)證法規(guī)，即在采用有效感覺噪聲級的評判標(biāo)準(zhǔn)下，其橫測噪聲不超過96.5dB,飛越噪聲不超過94dB，進(jìn)場噪聲不超過100.2dB。AS2計(jì)劃于2020年10月進(jìn)行飛機(jī)級的初步設(shè)計(jì)評審，2024年進(jìn)行首飛，2026年進(jìn)入市場。

動(dòng)力方面，AS2選用3臺GE航空集團(tuán)2018年10月推出的“親和力”（Affinity）發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力裝置。目前，該發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)完成了初步設(shè)計(jì)審查，正在對測試的基準(zhǔn)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。這是首次在一臺發(fā)動(dòng)機(jī)上完成該類聲學(xué)測試，能夠?yàn)槎嗉夛L(fēng)扇設(shè)計(jì)中的空氣聲學(xué)研究和對環(huán)境的影響提供參考。同時(shí)，Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)從2019年年底開始進(jìn)行排氣系統(tǒng)的測試，該項(xiàng)工作包括聲學(xué)測試和性能測試，以期找到一個(gè)在優(yōu)化性能的同時(shí)能降低噪聲的平衡點(diǎn)。作為推動(dòng)航空運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一部分，Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃使用100%的可替代噴氣燃料。GE航空集團(tuán)已經(jīng)于2020年2月進(jìn)行了一輪燃燒測試，計(jì)劃于今年夏天繼續(xù)完成該測試，并于2020年年底對Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)審查。

作為一家新興企業(yè)，艾利安公司積極與相關(guān)企業(yè)和地區(qū)開展合作，許多航空企業(yè)紛紛加入該計(jì)劃成為其合作伙伴和供應(yīng)商。同時(shí)，艾利安公司計(jì)劃投入3億美元在佛羅里達(dá)州墨爾本市（Melbourne）為AS2超聲速公務(wù)機(jī)建立一個(gè)研究、設(shè)計(jì)、制造的全球總部和綜合園區(qū)——艾利安園區(qū)。艾利安公司打算從2023年開始在該園區(qū)制造AS2。到2026年，該園區(qū)將雇用675名員工。

Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣錐概念圖

Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)9級高壓壓氣機(jī)

AS2分工示意圖

XB-1概念設(shè)計(jì)圖

博姆的XB-1項(xiàng)目

在美國科羅拉多州，艾利安公司的競爭對手博姆公司正在建造XB-1。XB-1是“序曲”（Overture）超聲速客機(jī)的1/3縮比驗(yàn)證機(jī)，設(shè)計(jì)機(jī)長為21m，翼展為5.2m，最大起飛質(zhì)量為6100kg。飛機(jī)整體采用了流線型和高細(xì)度比（飛機(jī)長度與寬度之比）設(shè)計(jì)來減小阻力并提高飛行效率。機(jī)翼采用了三角翼設(shè)計(jì)，使飛機(jī)能夠在較寬的速度包線內(nèi)平衡飛行控制和穩(wěn)定性。XB-1具有獨(dú)特的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，能夠保證為發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定的氣流，該設(shè)計(jì)已經(jīng)在超聲速風(fēng)洞中得到了驗(yàn)證。XB-1采用碳纖維、環(huán)氧樹脂等輕質(zhì)復(fù)合材料制成，每個(gè)組件都經(jīng)過了單獨(dú)設(shè)計(jì)以平衡強(qiáng)度、質(zhì)量和穩(wěn)定性。

研制進(jìn)度方面，XB-1的設(shè)計(jì)制造已經(jīng)接近尾聲：駕駛艙完成了93%，已經(jīng)通過了人體工程學(xué)測試，確保了駕駛桿和油門等必要的設(shè)備始終處于飛行員使用的理想位置；機(jī)體已經(jīng)100%完成，機(jī)翼完成了90%。動(dòng)力方面，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)100%就緒，XB-1選用3臺GE航空集團(tuán)的J85發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大推力為54.7kN，已經(jīng)通過性能測試和審批，并且進(jìn)行了綠色航空燃料測試，以確保在使用可替代燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能高效運(yùn)行；起落架正在建造中，剎車裝置能夠使飛機(jī)以343km/h的進(jìn)近速度安全著陸。目前，XB-1的垂直尾翼已經(jīng)安裝了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，正在為蒙皮收尾做準(zhǔn)備；同時(shí)，博姆公司正在計(jì)劃進(jìn)行XB-1的滑行測試和飛行測試，并將建造一個(gè)包括飛行測試控制室和XB-1模擬室的支持設(shè)施來進(jìn)行飛行試驗(yàn)，目的是將XB-1的飛行包線安全地?cái)U(kuò)展至超聲速。博姆公司表示，在疫情期間，公司在采取了適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和預(yù)防措施下繼續(xù)開展工程和制造工作。博姆公司計(jì)劃于2020年夏天正式推出XB-1。

XB-1最新里程碑節(jié)點(diǎn)

斯派克的S-512項(xiàng)目

S-512是美國斯派克航空航天公司于2013年開始研制的新一代超聲速客機(jī)。該飛機(jī)機(jī)長為37m，翼展為17.7m，航程為11500km，飛行高度為15000m，巡航速度為馬赫數(shù)（Ma）1.6，最高速度為Ma1.8，可搭載18名乘客。S-512的機(jī)體只保留了駕駛艙的窗戶，用大尺寸高清屏幕取代了乘客窗戶，該屏幕能夠在安裝于飛機(jī)外部的微型攝像機(jī)的幫助下提供全景，這種設(shè)計(jì)降低了質(zhì)量、費(fèi)用、機(jī)艙噪聲和工程復(fù)雜性。在降噪方面，S-512大量使用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件來塑造機(jī)頭、機(jī)體、機(jī)翼和尾翼，使沖擊波最小化，目標(biāo)是將噪聲降低到75dB，聽起來像是拍手聲或背景噪聲。在動(dòng)力方面，計(jì)劃安裝兩臺推力為89kN的發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，但目前尚未完成發(fā)動(dòng)機(jī)的選型。

自2013年開始研發(fā)以來，該項(xiàng)目多次延期，從最早計(jì)劃2018年完成試飛一直推遲到2021年。2021年年底，斯派克航空航天公司計(jì)劃試飛一架2/3尺寸的驗(yàn)證機(jī)，來證明S-512設(shè)計(jì)技術(shù)的穩(wěn)定性、安全性和可控性。該公司稱目前已經(jīng)收到了一些訂單，希望在2025年年底開始交付S-512。

S-512設(shè)計(jì)特征

超聲速客機(jī)面臨的一些問題和發(fā)展趨勢

適航取證

航空監(jiān)管機(jī)構(gòu)的態(tài)度對于超聲速客機(jī)的回歸起著關(guān)鍵的作用，美國目前正在探索制定可接受的聲爆標(biāo)準(zhǔn)來解決超聲速客機(jī)的適航取證問題，以期為超聲速民用飛機(jī)打開全球商業(yè)市場的大門。2018年，F(xiàn)AA獲得立法授權(quán)，主持制定超聲速民用飛機(jī)的相關(guān)規(guī)則，其中包括指導(dǎo)建立噪聲標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語規(guī)范。該法案要求FAA在5年內(nèi)完成規(guī)章制定工作，為超聲速民用飛機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策提供所需的規(guī)章依據(jù)，美國航空航天工業(yè)協(xié)會(huì)已批準(zhǔn)該法案。同時(shí),美國國家航空航天局（NASA）將在2021年中期開展低聲爆飛行演示驗(yàn)證，試驗(yàn)對象為洛克希德-馬丁（洛馬）公司研發(fā)的X-59 QueSST，通過收集社區(qū)響應(yīng)數(shù)據(jù)，幫助NASA建立一個(gè)可接受的民用超聲速噪聲標(biāo)準(zhǔn)，以推翻現(xiàn)行的禁止陸地上空進(jìn)行超聲速飛行的法規(guī)。2023年至2025年，NASA將測試美國社區(qū)對飛機(jī)噪聲的反應(yīng)，測試數(shù)據(jù)將提供給國際民航組織（ICAO），該委員會(huì)計(jì)劃在2025年上半年完成噪聲標(biāo)準(zhǔn)和巡航聲爆限制規(guī)章的制定工作。

X-59概念圖

可持續(xù)發(fā)展

超聲速飛行的長期市場接受度仍然取決于是否能在噪聲、排放及飛機(jī)的全生命周期實(shí)現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。為了增強(qiáng)超聲速客機(jī)的市場競爭力，3家公司都在可持續(xù)發(fā)展方面下足了功夫：艾利安公司的AS2客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以燃燒一種能夠?qū)崿F(xiàn)碳中和的合成燃料，該燃料通過從空氣中提取的二氧化碳制成。近日，該公司還發(fā)布了“艾利安2050愿景”，旨在推動(dòng)公司發(fā)展新一代清潔能源的超聲速和高超聲速民用飛機(jī)，艾利安公司預(yù)計(jì)將于2050年前實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)超聲速飛行；博姆公司將可持續(xù)發(fā)展的理念融合到飛機(jī)的測試、生產(chǎn)、報(bào)廢等環(huán)節(jié)，不僅使用了可持續(xù)的低碳的航空燃料，在地面和空中都進(jìn)行了100%的碳中和測試，并將回收原則融入到產(chǎn)品的全生命周期，以最大限度地減少飛機(jī)使用壽命結(jié)束后造成的浪費(fèi)；斯派克航空航天公司的S-512客機(jī)使用了一些“混合技術(shù)”來減小油耗，并表示未來該公司的飛機(jī)將達(dá)到“零碳”排放。

數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用

面臨著資金和監(jiān)管雙重挑戰(zhàn)的航空航天初創(chuàng)企業(yè)之所以能夠在短時(shí)間內(nèi)以相對較低的成本完成超聲速客機(jī)的設(shè)計(jì)和建造，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用功不可沒。與安裝了“幾十年積累下來的不同系統(tǒng)”的不堪重負(fù)的現(xiàn)有飛機(jī)制造商相比，這些初創(chuàng)企業(yè)在技術(shù)成熟的速度和效率方面具有天然的優(yōu)勢：艾利安公司在AS2的設(shè)計(jì)制造過程使用了數(shù)字孿生、數(shù)字主線等設(shè)計(jì)優(yōu)化工具，可以在實(shí)際制造開始前進(jìn)行成百上千次的數(shù)值仿真模擬，提高成功率；博姆公司在XB-1的設(shè)計(jì)制造過程中完成了大約6600萬小時(shí)的核心計(jì)算，節(jié)省了時(shí)間和財(cái)務(wù)成本；斯派克航空航天公司則更加專注于多學(xué)科優(yōu)化以快速評估成千上萬的設(shè)計(jì)。先進(jìn)的計(jì)算能力和輔助設(shè)計(jì)程序讓這些“小公司”做出了驚人的“大事情”。

軍民兩用

軍事方面對超聲速飛機(jī)的需求也十分迫切。艾利安公司目前正在為軍方提供一種被稱為高空超級巡航(HASC)平臺的AS2軍用衍生產(chǎn)品，作為美軍的高空監(jiān)視和監(jiān)聽飛機(jī)。該飛機(jī)在通過適航認(rèn)證的尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼和中部機(jī)體的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)定制的前機(jī)體，來容納政府所擁有的任務(wù)系統(tǒng)和有效載荷，并能夠作為功率為500kW或更高的新型高能激光武器的高空試驗(yàn)平臺。艾利安公司表示已經(jīng)將此設(shè)計(jì)的所有權(quán)轉(zhuǎn)讓給了軍方，允許軍方對前機(jī)體部分進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)。

結(jié)束語

盡管新冠肺炎疫情對2020年的航空業(yè)造成了毀滅性的打擊，但艾利安、博姆、斯派克等初創(chuàng)公司堅(jiān)信，在疫情結(jié)束后，縮短旅行時(shí)間和增強(qiáng)全球機(jī)動(dòng)性的需求將不可避免地回歸。他們以敏銳的嗅覺和獨(dú)有的優(yōu)勢，在超聲速客機(jī)領(lǐng)域占得了先機(jī)。雖然目前超聲速飛行還面臨著諸多挑戰(zhàn)：高效、經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境可接受的氣動(dòng)布局；同時(shí)滿足亞聲速和超聲速飛行包線內(nèi)推力要求的高效、耐久、維修性強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)；以及低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)、可接受的聲爆標(biāo)準(zhǔn)制定等。但隨著超聲速項(xiàng)目的持續(xù)開展，這些障礙終將被一一掃清，相信人類再次開啟超聲速飛行將指日可待。