出品：科普中國

　　作者：蘭(lan) 順正

　　策劃：宋雅娟

　　監製：光明網科普事業(ye) 部

　　在去年年底，據美國宇航局網站報道，經過30多年的研發，NASA的X-59大型有人駕駛安靜超音速飛行器項目已經取得了進展，隨後在華盛頓NASA總部召開的項目審核會(hui) 議批準了該飛行器最後的組裝工作。不難看出，該則消息意味著超音速客機或許將重新服務於(yu) 大眾(zhong) 。

　　折戟的“協和號”

　　提起超音速客機，首先想到的就是協和式飛機。該飛機在上世紀60年代由英法兩(liang) 國聯合研製，為(wei) 了適應超音速飛行，協和式飛機的機翼采用三角翼，機翼前緣為(wei) S形，無水平尾翼，專(zhuan) 門研製的四台大推力的渦輪噴氣發動機使其可以達到2180千米/小時(音速2倍)的高速。由於(yu) 協和式飛機的巡航速度比晨昏線的移動速度更快，因此該飛機能夠追上和超越地球的自轉，如果是向西飛行的話，可以做到“出發前就到達”。1996年協和客機從(cong) 英國倫(lun) 敦飛往美國紐約的過程中創下了2小時52分鍾59秒的最快飛行紀錄。

　　“協和號”一度被稱為(wei) 比時間快的飛機

　　不過，協和號雖然快，也存在著一些重大缺陷，如發動機的耗油率高、環保不達標、噪聲過大等問題。2000年7月25日，法國航空公司AF4590航班的一架協和式飛機在巴黎戴高樂(le) 機場起飛後兩(liang) 分鍾起火墜毀，造成機上109人以及地麵4人喪(sang) 生。經此一役，協和號一蹶不振，不久就退出了曆史舞台。

　　民用高超聲速的“門檻”

　　“協和號”雖然黯然退場，但是高速度對於(yu) 人們(men) 出行和商務往來依然有著巨大吸引力，尤其是在全球化趨勢愈發明顯的今天。而超音速客機要想用之於(yu) 民，有些門檻是必須要跨過的。

　　“音爆”會(hui) 對地麵的人與(yu) 物造成不小的影響

　　一方麵是音爆，音爆是物體(ti) 在空氣中運動的速度突破音速時產(chan) 生衝(chong) 擊波所引起的巨大響聲。較強的地麵音爆會(hui) 影響生態環境和人類正常的生活工作，嚴(yan) 重時甚至會(hui) 破壞建築物。據測試，上文中的協和客機在 16000米高空以兩(liang) 倍音速飛行時產(chan) 生的音爆對地麵產(chan) 生的壓強高達100帕，相當於(yu) 給一塊一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力，所以被美國、馬來西亞(ya) 等多個(ge) 國家禁止在陸地上空作超聲速飛行。因此新一代超音速客機需要解決(jue) 的首要問題就是音爆。目前，音爆抑製技術主要有主動和被動兩(liang) 類。主動技術通過能量注入來抑製音爆，如通過激光脈衝(chong) 的方式向超聲速流場中注入能量，改變原本的激波結構，避免飛機各部件產(chan) 生的激波相互疊加和幹擾，以降低音爆強度。被動技術則以靜音錐為(wei) 代表，主要通過在機頭安裝若幹可伸縮的圓錐體(ti) 和圓柱體(ti) ，通過使機頭原本較強的弓形激波變為(wei) 若幹道弱激波，並避免聲爆傳(chuan) 播過程中出現激波疊加和幹擾的方式來抑製音爆。

　　另一方麵是動力係統。目前，廣泛應用於(yu) 亞(ya) 聲速飛行的大涵道比渦扇發動機無法用於(yu) 超聲速飛行，而小涵道比渦扇或渦噴發動機，在起飛階段噪聲較大、亞(ya) 聲速飛行時耗油率偏高、汙染物的排放量較多。為(wei) 了解決(jue) 這一矛盾，變循環發動機（VCE）概念應運而生。變循環發動機的獨特之處在於(yu) 可以改變發動機涵道比: 在起飛和亞(ya) 聲速飛行時，發動機涵道比增大，以渦扇發動機狀態工作，降低耗油率和噪聲。在爬升、加速和超聲速飛行時，發動機涵道比減小，以接近渦噴發動機的性能，以增大推力。由於(yu) 變循環發動機具有能夠兼顧亞(ya) 聲速巡航低油耗和超聲速巡航高推重比的優(you) 點，因此也是新一代超聲速客機的關(guan) 鍵技術之一。

　　各大機構爭(zheng) 相“開花”

　　鑒於(yu) 其巨大的商業(ye) 潛力，相關(guan) 的企業(ye) 早已開始了新型超音速客機的研發。如在2016 年，美國Boom 公司就公布了其設計的超聲速客機概念圖——Overture，該飛機采用複合三角翼布局，機身由碳纖維材料製造，全長52 米，翼展 18 米，裝備3 台推力為(wei) 67 ～ 89千牛的中涵道比渦輪風扇發動機，巡航速度 2.2 馬赫，最大航程8300 公裏，最多可搭載 55 名乘客。而除了 Boom 公司，波音也在一直不遺餘(yu) 力地推進超聲速飛行器的研製。2018 年 6 月，在美國航空航天學會(hui) （AIAA）2018 年度航空峰會(hui) 上，波音公司公開了一款高超聲速民用飛機方案。波音表示，這款高超聲速飛機的速度將達到5倍聲速。鑒於(yu) 近年來波音在研製高超聲速飛行器方麵成果顯著（先後研製成功了最大飛行速度 9.8 馬赫的X-43 和5.1 馬赫的X-51），該公司的高超聲速民用飛機項目也是值得期待的。

　　X-59想象圖

　　據悉，此次文章開頭提到的X-59是NASA 的低聲爆驗證機項目，由洛克希德-馬丁臭鼬工廠具體(ti) 負責。該機采用單發設計，將模擬 80 ～ 100座級、Ma1.6 ～ 1.8 飛機的激波特征，其設計可以將到達地麵的音爆聲的響度降低到輕柔的重擊聲，相比協和號低了一半。將來X-59將飛越美國部分有人居住的地區，從(cong) 地麵上的傳(chuan) 感器和人員那裏收集數據，以評估公眾(zhong) 的看法。這些數據將幫助監管機構製定新規則，以實現商業(ye) 超音速飛機在陸地上空的飛行。

　　據NASA的航空副主管表示，通過本次項目審核會(hui) ，NASA展示了X-59項目運轉正常，一切工作都已經依照計劃按時完成。可以想象，隨著新一代超音速客機技術逐漸取得突破，超音速旅行或許也為(wei) 期不遠。屆時，這些“空中高鐵”能夠成倍地縮短飛行時間，大幅提高旅行效率，對於(yu) 促進世界各國在經貿文化領域的交流與(yu) 合作將會(hui) 具有重大的現實意義(yi) 。

　　劃重點：超音速客機曾一度風靡全球，但其自身的缺點也使之成為(wei) 曇花一現。當今隨著全球化的發展，超音速客機的商業(ye) 潛力將被再度開發，而相應的降低音爆等技術的進步，則意味著這類“空中高鐵”用之於(yu) 民的日子已並不遙遠了。（作者：蘭(lan) 順正 遠望智庫特約研究員 察哈爾學會(hui) 研究員 中國指揮與(yu) 控製學會(hui) 會(hui) 員）

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