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协和后继有人!维珍银河加入赛道,超音速客机有望重现昔日辉煌?

Winnie Lee

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人类对于速度的追求是无止境的——从双足行走,到动物拉车、汽车、飞机和火箭,越来越快的速度让世界从彼此隔离的大陆变成了“地球村”,在可展望的未来,或许能让银河系乃至全宇宙也变成人类的“后花园”。

在速度的尺度上,音速(340m/秒)和光速(299792458 m/秒)是两个藩篱。目前,人类还无法做到超光速,但超音速却能在一定条件下做到。

超音速飞机是如何设计的?

一架飞机要达到超音速,主要面临两个问题:足够的推力,和如何抵抗超音速后飞机受到的压力。

当飞机飞行速度接近音速时,周围的流动态会发生变化,出现激波或其它效应,会使机身抖动、失控,甚至空中解体,并且还可产生极大的阻力,使其难以突破M=1的速度(航空上通常用M(即马赫)来表示音速,M=1即为音速的1倍)。人们把这种现象称之为音障。

对于第一个问题,人们研制出了超音速燃烧冲压发动机,由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成,比涡轮喷气发动机简单得多。

协和式飞机尽管采用了涡轮喷气发动机,但却加上了一般用于战斗机的加力燃烧室,其发动机也经过特殊设计。

机身设计能够减少空气阻力。比如协和式飞机的前机身细长,机体主要材质为更轻的铝合金,部分部件以雕刻铣削方式从一整块合金坯料制造成形以减少零部件数量。

采用向后倾斜的机翼可以延缓或消除音障现象的出现,减少飞行阻力。后来的亚音速和超音速飞机大都采用有向后倾斜角度的后掠翼、三角翼或梯形机翼。

超音速飞行会使得飞机摩擦生热,和机外环境形成温差。协和飞机超音速飞行期间,由于热胀冷缩,机身会膨胀延长达300毫米,飞行工程师的仪表板与客舱隔板间的距离会在飞行途中增加并形成一条缝隙。

利用这个特点,所有协和飞机在其退役飞行时,飞行工程师都会将自己的帽子放置于缝隙中,当飞机降落、冷却后,帽子就会永久被夹在其中,作为纪念。

超音速飞行的历史

1947年10月14日,人类首次完成超音速飞行。美军飞行员查尔斯·艾伍德·「查克」·叶格(Charles Elwood "Chuck" Yeager)驾驶着实验机贝尔X-1(Bell X-1)在 1.37万公尺天空中飞到了1.06马赫的高速,正式宣告突破音障。

划时代的贝尔X-1由贝尔飞机公司(Bell Aircraft Company)与国家航空咨询委员会(NACA,也就是NASA的前身)合作开发。它的外观就像一颗加了翅膀的.50口径子弹,长9.45米,机高3.35米,翼展8.53米。

XLR-11火箭发动机为其提供动力,其燃料为液氧与酒精和水的混合物。

贝尔X-1同时也是世界上第一种纯粹为了试验目的而设计制造的飞机,其设计是相当保守的,所有认为有疑问的设计、结构和加工技术都被谨慎地回避了,也没有采取后掠翼(尽管NACA早在1945年初就已导出了后掠翼的有关理论),机身绝大部分的设计都很常规,比战时美国任何一架战斗机的结构强度至少增加了50%。

由于动力设计较为保守,推力相对有限,贝尔X-1的续航时间很短,以至于从地面起飞达不到检测高度与目标飞行性能,空中发射便成了唯一的选择。实验人员选择把X-1挂在一架B-29重型轰炸机的炸弹钩上,升到30000英尺高空时抛下。

由于超音速技术过于前沿,其率先在军事上被投入使用。第一种实用的超音速飞机是美国于1949年研制成功的F—100战斗机。许多国家都拥有超音速战斗机,如欧洲“台风”战机、俄罗斯“米格-31”战机和中国的歼20等。

人类首架超音速客机则是由前苏联图波列夫公司制造的TU-144。其原型产品于1968年12月31日在莫斯科附近首次试飞,比协和飞机早两个月。

其机头两侧装有细条状的鸭翼,在起飞和着陆时使用,用作弥补双三角翼在低速时的表现。发动机安装在翼根之下,其引擎没有配备反推器,需用减速伞协助减速。

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(TU-144飞机三视图)

紧随其后的是英法联合研制的大名鼎鼎的协和式客机。协和飞机采用S形前缘三角翼,免除了鸭翼给飞机带来的复杂化。其发动机安装在机翼下侧中部,气动特征、发动机控制与TU-144完全不同,体积、重量、速度都低于TU-144客机。其着陆后和普通民航客机一样利用反推力和制动器减速。

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(协和飞机三视图)

协和式客机最高载客量为120-140人,极速可达2.35马赫,巡航在1万8千米的高空。其体验比TU-144优越(有TU-144乘客表示机舱内噪音震耳欲聋,相邻而坐都听不到彼此说话),票价也很高昂(2000年巴黎到纽约单程为8148美元),英国女王伊丽莎白二世、法国总统希拉克等名人都曾乘坐协和号。

在安全性上,协和式飞机也远高于事故不断的TU-144,自1976年开始就没有发生过一次重大事故,一度被认为是“全世界最安全航班”。

不过2000年7月25日的一次坠毁事故暴露出了协和式的设计缺陷,自此由盛转衰。

新时代超音速飞机有望重现辉煌?

尽管协和式飞机遗憾地退出历史舞台,但人类追求更快速度的雄心并未因此消退。

近年来,航空界仍然有不少公司在努力制造新的超音速客机,试图解决协和的两大痛点:噪音大和油耗高。包括欧洲航空防务和航天公司、美国斯派克航空航天公司、美国湾流航空航天公司以及美国艾里恩公司等企业还有一些初创公司都在参与。

其中,最为知名的是航空界两家老牌巨头:洛克希德·马丁、波音,还有新兴航天公司维珍银河。

洛克希德·马丁

洛克希德·马丁航空公司于2019年公布了新超音速飞机QSTA的设计。这是一架双引擎喷气式飞机,时速为1.8马赫,最多可以搭载40名乘客。

这种设计创造出了X-59静音超音速技术X-plane。它采用了一个加长的超尖的机头来塑造声波冲击波,这种冲击波将沿飞机而下,而不会像它的航空前辈那样产生爆炸。

如果成功,在飞机突破音障时不会产生强烈音爆,从地面上只能听到类似汽车门被砰地关上的声音。

协和式飞机需要一个液压下垂的机头,以便飞行员在着陆时能够正确地看到地面,而QSTA将使用一种技术解决方案:嵌入在前端的前视系统,将所需的视觉信息传递到驾驶舱。

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(图源:洛克希德·马丁)

在飞机尾部,有一个不寻常的“飞行V-tail”结构,取代了通常在商用飞机上看到的标准单鳍设计,而是通常在战斗机上看到的双鳍设计。

QSTA的动力来自两个涡扇发动机,与协和式飞机不同的是,这两个发动机没有加力燃烧器。该公司表示,引擎需要新的设计,没有现成发动机能直接给飞机使用。

这架飞机还只是在做早期的概念研究。

波音

波音2707是美国波音公司首次开发的超音速客机计划,但最终在1971年撤销了资金投入,在2架原型机完成之前就中止了整个计划。

2019年,波音和NASA公布了全新的“跨音速”机翼设计TTBW,用制造商的话说,这是一种“轻型”、“超薄”、“更符合空气动力学”的机翼概念。最初TTBW被设计以0.70 - 0.75马赫的速度飞行,经过本次优化后,能够飞得更高、更快。

波音还在进行亚音速超绿色飞机研究(SUGAR) ,并推出了Volt概念机,设想为燃料或电力驱动(类似混合动力汽车),并可能在机翼设计中包括铰链,这样当它们在地面上时就可以折叠。它的设计飞行速度为0.79马赫,载客154人,航程3,500海里,起飞距离较短。

波音另一个项目Icon II使用分裂的尾部设计,以实现陆上超音速飞行,并减少燃料燃烧和噪音。Icon II概念机可搭载120名乘客,巡航速度在1.6到1.8马赫之间,航程约为5000海里。

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(波音Icon II概念设计。图源:NASA/波音)

其竞争对手空中客车则于2015年公布了一项专利,描述了一架最高时速可以达到4.5倍音速的超音速喷气式飞机。专利显示,新型超音速喷气式飞机的极速将达到4至4.5马赫之间,是协和的两倍,其飞行高度也比传统的商用客机要高20千米。

不过自那之后,空客再无什么消息传出。

维珍银河

维珍银河公司日前公布了其超音速喷气式飞机的设计,拥有三角形“三角翼”,飞行高度将超过60000英尺,最多能载19名乘客,飞行速度为3马赫。

这架飞机是由维珍银河与劳斯莱斯合作开发,劳斯莱斯曾为已经停产的协和式飞机制造了加力燃烧室涡轮喷气发动机,可谓经验丰富。

目前该飞机设计已经通过了任务概念审查,这是对飞行器进行认证的一个早期但必要的步骤。

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(图源:维珍银河)

除此之外,总部位于丹佛的 Boom Technologyy公司也推出了其超音速载人飞机原型Boom XB-1,将使用3D打印部件;Orbital ATK成功测试了3D打印的超音速发动机燃烧室,有望藉此打造出时速高达5500公里的飞机,相当于4.5倍音速。

值得一提的是,2018年,有报道称中科院研发团队将研发一款名为“I-plane”的超音速飞机,飞行速度将达6000公里/小时,采用双层机翼设计,能够运载5吨货物或50名乘客。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

http://www.360doc.com/content/13/0610/23/2950524_292049994.shtml

https://edition.cnn.com/travel/article/supersonic-airplane-qsta-lockheed-martin/index.html

https://www.msn.com/en-us/travel/news/virgin-galactic-just-revealed-a-new-supersonic-passenger-jet-it-planned-with-rolls-royce-which-used-to-make-concorde-jet-engines/ar-BB17vvtx

https://newatlas.com/boeing-sugar-volt-hybrid-aircraft/15915/


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