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近日，美國航空公司宣布將從音爆公司（Boom）訂購20架超音速飛機Overture，這一名稱翻譯成中文是“序曲”的含義。音爆公司這樣來命名自己的超音速商用飛機，顯然蘊含了重啟超音速商業(yè)航空運輸時代的厚重期望。早在上世紀(jì)40年代，人類就實現(xiàn)了軍機的超音速飛行，可以說從那時候起，人們就一直期望把超音速飛機應(yīng)用于民用航空。然而幾十年的探索和挫折，證明其中的困難比預(yù)想要大得多。我們邀請《航空知識》雜志主編王亞男來聊聊相關(guān)的話題?！靶蚯痹O(shè)計方案效果圖（1）商用因暴烈噪音折戟自從100多年前人類開始將飛機用于商業(yè)運輸，對于速度的追求就從來沒有停止過。從最初的每小時一兩百公里，到今天的每小時近千公里，地球終于從一個碩大的物理球體被商用噴氣飛機縮小成了地球村。在軍用飛機早已突破音速甚至可以達(dá)到接近3倍音速的當(dāng)下，讓商用客機突破音障以更高的速度飛行在技術(shù)上早已不是難題，問題在于超音速客機必須同時具有良好的靜音性和經(jīng)濟(jì)性，這才是真正的挑戰(zhàn)。2003年，英法合作研制的“協(xié)和”超音速客機結(jié)束了最后一次商業(yè)飛行，從此淡出航運舞臺。這標(biāo)志著人類商業(yè)航空向超音速發(fā)起首次嘗試的黯然結(jié)局。而在20世紀(jì)60年代，超音速商用客機曾是全球航空運輸界寄予厚望的新星。這一時期，英法兩國斥巨資研制的“協(xié)和”飛機成為最為耀眼的代表；蘇聯(lián)不甘落后，圖波列夫設(shè)計局迅速開發(fā)成功圖-144超音速客機；美國政府也認(rèn)為超音速客機可能成為全球航運競爭的新焦點，投入大筆資金，制定波音和洛克希德等著名航空公司參與競標(biāo)的計劃，最終選中了波音公司的2707項目。雖然該項目最終因為技術(shù)問題過多和預(yù)算嚴(yán)重超支最終下馬，但這并不妨礙當(dāng)時美國對這一領(lǐng)域的樂觀期盼。蘇聯(lián)圖-144由于技術(shù)問題和可靠性原因，只在蘇聯(lián)境內(nèi)進(jìn)行了極短的運營就宣告退出歷史舞臺。唯一投入跨大西洋商業(yè)運營的“協(xié)和”也沒有風(fēng)光多久，很快就暴露出噪音大、經(jīng)濟(jì)性差、運營成本高等問題。超音速飛機使用的超音速發(fā)動機原本耗油率就較大，如果飛行全程都保持超音速，經(jīng)濟(jì)性還勉強可以接受，但是傳統(tǒng)超聲速飛機飛過頭頂?shù)母杏X的確很糟糕：那不僅會產(chǎn)生巨大噪音，還會導(dǎo)致劇烈振動。飛機在空氣中飛行會產(chǎn)生向四周擴(kuò)散的聲波，在亞聲速飛行狀態(tài)下，聲波的傳播不構(gòu)成麻煩，但當(dāng)飛機超越聲速的時候，問題就來了。飛機引起的聲波（其實就是振動的空氣層）由于跑不過飛機，會快速在飛機前方相遇并疊加，振動能量劇增并呈錐面分布，這種振動波就是音爆激波。如果是低空飛行，它甚至能震碎建筑物的玻璃。當(dāng)歐美各國政府都意識到這種等級的噪音會引起居民強烈反對后，便紛紛要求“協(xié)和”不得在陸地上空飛行時超越音速，只能在飛出海岸線，到達(dá)大洋上空時才可以火力全開。這樣一來就意味著“協(xié)和”有相當(dāng)一段航程只能做亞音速飛行，而“協(xié)和”使用的發(fā)動機在亞音速飛行時燃油經(jīng)濟(jì)性更加糟糕，這等于進(jìn)一步惡化了“協(xié)和”的經(jīng)濟(jì)性。由此帶來的一個直接結(jié)果，是當(dāng)年所有乘坐“協(xié)和”的乘客在享受2倍音速飛越大西洋疾馳之旅的同時，不得不面對高達(dá)數(shù)千美元令人咋舌的票價。在“協(xié)和”投入運營的時代，以翼吊式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機為主要特征的高亞音速商用客機，憑借在速度、航程和經(jīng)濟(jì)性三者間極佳的平衡性設(shè)計成為主流，占據(jù)了商業(yè)運輸市場的主要份額，進(jìn)一步壓縮了“協(xié)和”的生存空間。這一切，最終導(dǎo)致了“協(xié)和”的謝幕?！皡f(xié)和”超音速客機（2）“序曲”能卷土重來嗎從航空動力技術(shù)上說，通過使用渦扇技術(shù)和更高效的發(fā)動機內(nèi)外流場設(shè)計，燃油經(jīng)濟(jì)性有望得到顯著提高；而激波噪音問題則必須通過優(yōu)化機體外形設(shè)計才可能實現(xiàn)，其中涉及到激波產(chǎn)生機理和匯集擴(kuò)散規(guī)律等深層次問題，試錯所需的成本和時間都相當(dāng)可觀。音爆公司的“序曲”采用了比較保守的概念?！靶蚯钡娘w行速度限定在1.7倍音速，但是即便如此，也足以把紐約到倫敦的飛行時間縮短到3個半小時，紐約到法蘭克福之間只需要4小時。雖然8300公里的航程讓“序曲”需要中途落地加油一次才能飛越太平洋，但這已經(jīng)能夠讓乘客在6小時內(nèi)從舊金山飛到東京。音爆公司希望把“序曲”的價格控制在2億美元，而“序曲”的客座運營成本更具吸引力——將比亞音速寬體客機更低。音爆公司認(rèn)為“序曲”運營后，從紐約到倫敦的往返票價大約為5000美元，而早年“協(xié)和”的票價高達(dá)20000美元。音爆公司宣稱全球有500條航線都需要超音速客機，市場需求總量可達(dá)1000架。研制這樣的飛機并不容易，據(jù)估計，研發(fā)制造和適航審定投資總額為60億美元。2016年3月，音爆公司完成了三角翼概念設(shè)計和木制模型。最初方案采用兩臺發(fā)動機，可容納40名乘客。同年10月，原設(shè)計被加長到47米，翼展也相應(yīng)加長，客座數(shù)量增加到50個，發(fā)動機也增加到3臺。之后，“序曲”投入使用的計劃一再推遲，如今的時間節(jié)點定在了2030年。音爆公司已經(jīng)完成的縮比三分之一的XB-1驗證機可謂是“序曲”的序曲，它采用三臺通用電氣J85噴氣發(fā)動機，負(fù)責(zé)來驗證“序曲”的噪音技術(shù)和運營經(jīng)濟(jì)性。但是以XB-1的外形特征來分析，在實際飛行中它能否實現(xiàn)音爆公司的設(shè)計目標(biāo)，目前仍存在不少疑問。前面說到的美國航空公司的訂單并不是音爆公司的首筆訂單，早在2021年6月，另一位美國商業(yè)航空巨頭級企業(yè)聯(lián)合航空公司已經(jīng)與該公司簽訂協(xié)議，購買15架“序曲”。另外有消息說，日本航空公司也有采購意向，已經(jīng)預(yù)訂了20架。從商業(yè)規(guī)則上說，目前這些訂單仍然只能算是意向訂單，因為各航空企業(yè)預(yù)定的“序曲”至今尚未完成研制，他們只是根據(jù)音爆公司的產(chǎn)品研發(fā)目標(biāo)和市場定位描述決定訂購，但是這種意向仍然可以說比較強烈，并且需要支付定金。XB-1驗證機（3）古怪外形挑戰(zhàn)降噪難題在解決超音速飛行噪音問題方面，美國航空航天局（NASA）花了不少心思。美國航空航天局和洛馬公司聯(lián)合制造的X-59“安靜超音速運輸機”驗證機目前已經(jīng)總裝完畢，正在進(jìn)行各項測試和調(diào)試，按計劃將在2022年實現(xiàn)首飛。這架長30米、重10噸的外形古怪的飛機將通過飛行測試來挑戰(zhàn)超音速客機的降噪難題。當(dāng)年的“協(xié)和”產(chǎn)生的激波噪音水平是105分貝，大致相當(dāng)于近距離的雷鳴。從2003年“協(xié)和”徹底謝幕至今，19個年頭過去，如今X-59將挑戰(zhàn)一項前所未有的超音速音爆激波噪音水平——75分貝，大致相當(dāng)于在6米遠(yuǎn)距離上聽到的大力關(guān)車門聲。“這一水平僅相當(dāng)于‘協(xié)和’的1/9至1/6”，NASA低音爆飛行驗證機項目副主任戴維里奇韋恩表示，“我們努力讓飛機產(chǎn)生振幅更低更溫和的激波，也盡力讓激波能夠更緩慢地疊加形成，這樣就不會產(chǎn)生過去超音速飛機那樣強烈的音爆激波噪聲”。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，工程技術(shù)人員做了大量計算機空氣動力學(xué)仿真試驗，據(jù)此設(shè)計了X-59全機外形，那個細(xì)長如遠(yuǎn)古生物般的長鼻子就是復(fù)雜模擬建模的結(jié)果。從比例上說，X-59的鼻子比“協(xié)和”的還長。雖然長鼻子能有效抑制激波，但也帶來了新問題，那就是座艙里的飛行員無法擁有良好的前方視野，為此技術(shù)人員可以通過外部視景系統(tǒng)結(jié)合艙內(nèi)高分辨率顯示器來解決這個問題。這樣一來，X-59就不必像“協(xié)和”那樣采用可上下偏轉(zhuǎn)活動的機首，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量。美國航空航天局在X-59項目上花費了2.47億美元，如果該項目進(jìn)展順利，那將證明超音速飛行與低音爆噪音并非絕對不可調(diào)和的矛盾。這樣美國航空航天局就有望推動美國航空管理機構(gòu)解除原有禁令，重新允許超音速飛機在內(nèi)陸人口稠密地區(qū)超音速飛行。在過去，“協(xié)和”只能在海上才被允許趕超音速，這意味著它的全航程經(jīng)濟(jì)性根本無法保證，因為“協(xié)和”在亞音速狀態(tài)下是鯨吞牛飲的燒錢機器。一旦X-59能憑借音爆抑制技術(shù)打破這一禁令，這將意味著超音速商業(yè)航運的大門有望重新開啟。如果成功，X-59飛過繁忙的城市時，大部分居民甚至?xí)y以覺察到他們頭頂有人正以超越音速的速度疾速飛行。即便在靜謐的鄉(xiāng)村，居民們聽到的也不過是一聲并不刺耳的悶響。若挑戰(zhàn)75分貝成功，未來就可以運用X-59的相關(guān)技術(shù)開發(fā)更大的120座級商用噴氣客機。X-59驗證機激波模擬圖像圖片由王亞男提供（原標(biāo)題：超音速客機真要“返航”了嗎）來源：北京日報客戶端流程編輯：TF063舉報/反饋

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