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航空业会否重拾超声速

2022-05-30董帼雄

大飞机 2022年7期
关键词:协和超声速客机

董帼雄

近日,美国航空领域的初创公司Boom Supersonic研制的一款名为序曲(Overture)的超声速客机收获了来自美国联合航空公司的订单,而根据Boom公司的规划,这款飞机计划在2024年左右投产,2026年投入运营。Overture会否成为继协和号超声速飞机之后,又一款投入市场的超声速客机,从图纸到实物,超声速客机的商业化运营之路还有哪些难关需要攻克成为了业界热议的话题。

尽管人类对于高速飞行的追求由来已久,但自2003年协和号飞机退出市场之后,民航业再也没有出现过一款可以投入运营的超声速客机。但近兩年来,行业又再掀起了一阵超声速飞机的研发热潮。近日,美国航空领域的初创公司Boom Supersonic研制的一款名为序曲(Overture)的超声速客机收获了来自美国联合航空公司的订单,而根据Boom公司的规划,这款飞机计划在2024年左右投产,2026年投入运营。Overture会否成为继协和号超声速飞机之后,又一款投入市场的超声速客机,从图纸到实物,超声速客机的商业化运营之路还有哪些难关需要攻克成为了业界热议的话题。

重燃超声速梦想

人类首次成功研制出超过声速的飞行器是在二战时期。1943年,美国研制的X-1验证机第一次实现了飞行速度1.06马赫,这是飞行器速度首次突破声障。

X-1 验证机的成功激发了人类研制民用超声速客机的热情。1956 年,英国成立了“超声速运输飞机委员会”,该委员会联合英国皇家飞行研究院和布里斯托尔飞机公司,共同研制超声速客机。一段时间后,英国政府发现仅凭一己之力难以实现突破,因此在欧洲范围内寻求合作伙伴。

1962年,英法两国签署协议,双方决定合作研发超声速客机。由于多方面原因,研发过程并不顺利,双方在技术、理念上都有不小的分歧。就在同一时期,苏联也在研发超声速客机。1968年,苏联研制的图-144超声速客机成功首飞,1975年投入商业运营,开辟了航空史上的新时代。

由于飞机稳定性差、事故率高等原因,图-144在投入运营3年后就退出了航线。而英法两国在经过十多年努力后,终于研制出协和号超声速客机。1976 年,协和号超声速客机完成了首个商业航班。

当时,协和号飞机主要用于从伦敦希思罗机场和法国戴高乐机场往返纽约肯尼迪国际机场的航线。飞机能够在1.5万米高空以2.02倍声速巡航,从巴黎飞到纽约只要3小时20分钟,比普通民航客机节省近一半时间。然而,协和号飞机也存在着一些重大缺陷,如高昂的运营成本和噪声过大等问题。

2000年,法航4590号航班空难成为压垮协和号的最后一根稻草。在诸多因素的影响下,英航和法航决定于同年结束协和号飞机27年的商业飞行生涯。尽管结局有些悲惨,但不可否认,协和号飞机仍然是世界航空工业发展史上一个重要的里程碑。

十多年后,一个名叫Blake Scholl的航空极客开始思索如何在节省一半成本的前提下,让超声速客机重现辉煌。

2014 年,Blake Scholl 在美国丹佛市创立了一家名为 Boom Supersonic的公司,这一次超声速客机的研发似乎又离市场近了一步。

Boom的大胆尝试

Boom公司在研制超声速客机的原型机之前,先制造了一架名为XB-1的演示验证机,一方面是希望通过验证机来验证设计原则、驾驶舱人机工程学、飞行包线等技术,另一方面也希望其可以延续全球首款超声速飞机X-1的辉煌。

XB-1 原型机尺寸是未来量产版 Overture 超声速客机的三分之一,外形设计上与协和号十分相似。XB-1原型机只有两个座位,其作用是用来验证全尺寸 Overture 超声速客机的各项技术,其中包括高效的空气动力学设计、先进复合材料和高效的推进系统等。

考虑到运营经济性,Boom公司设计的超声速客机全长52米,翼展18米,巡航速度2.2马赫,比协和号飞机更快,最大航程可达8300 公里。飞机客舱布局宽敞,与普通民航客机一样,设有触摸屏、工作台、舱顶行李架以及更大的舷窗。根据设计,Overture 超声速客机头等舱可搭载30名乘客,商务舱可搭载15名乘客。如果客舱全部按商务舱配置,最多可搭载 55 名乘客。

2016 年,Boom 公司公布了飞机的概念设计图。Overture 超声速客机采用展弦比为1.5的复合三角翼布局,机身使用碳纤维材料。在Boom公司的设计下,XB-1的机身最高可承受超过300F149℃的温度,同时XB-1的流线型设计可以减小阻力并优化飞行效率。动力方面,采用3台推力为67千牛至89千牛的中涵道比涡轮风扇发动机。为了降低油耗,发动机将不带加力燃烧室。

过去几年里,不少人质疑Overture项目会走协和号的老路,但 Boom公司表示,由于XB-1 在空气动力学、材料和发动机三方面较协和号飞机有了相当大的改进,因此公司非常有信心这款飞机将获得商业成功。

新材料、新技术与新理念的应用

相比依靠风洞实验测试空气动力设计的协和号,Boom采用了计算机虚拟风洞试验,不仅提高了试验效率,也提高了试验数据的准确性。在材料方面,XB-1 验证机采用与波音787类似的复合材料,整机质量比协和号要轻了不少。

在动力方面,Overture 将采用先进的涡扇发动机,与主流亚声速飞机相仿,对于航空公司来说不必承担额外的燃油费用。从目前已经完成的模拟飞行结果来看,与协和号相比,XB-1验证机的燃油效率提高了近30%。

从用户体验的角度来说,Boom 计划将客舱座位分为两列单座,保证每位乘客都能享受窗外的美景和充足的过道空间。为了尽可能减少飞行时间,飞机将在6万英尺的高空航行,每位乘客都可以透过舷窗一睹地球弧线。

此外,XB -1验证机还采用了前视视觉系统,可创建跑道的虚拟试图。这一系统包括两个沉余摄像头、一个多功能显示器、数据采集系统和惯性导航系统,这一技术相对于之前的协和号飞机,将大大降低飞行员操控飞机的难度。

同时,为了加快项目进度,Boom公司还大胆采用了3D打印技术。据公开信息显示,XB-1验证机定制的复合材料结构包括3700多个零件,其中包括起落架、飞行控制执行器和冷却系统等,为了提高生产效率,Boom公司与Stratasys公司合作通过3D打印技术大大提高了生产效率,与VELO 3D打印公司合作,研发通过3D打印技術生产可用于飞机关键部位的最终零部件。

针对航空业对环保的要求日益严苛,Boom公司与合作伙伴一起探索可持续航空燃料在XB-1验证机上的使用。Boom的合作伙伴Prometheus燃料公司采用可再生能源中的电能从空气中提取二氧化碳,去除氧气,然后将其与氢气结合形成碳氢化合物燃料。目前,Boom公司已经在地面试验中对这种可持续航空燃料进行了测试。

当然,XB-1只是验证机项目,所有的试验验证都是为后续的Overture项目所服务的。根据Boom公司公布的信息,Overture超声速客机的发动机将由罗罗公司研制,飞机机身63米,座位数在65个至88个,飞行速度可达到1.7马赫,飞行高度1.8万米。

超声速重返市场仍有诸多挑战

对于一款商用飞机来说,技术成功和市场成功两者缺一不可。超声速客机面临的首要问题是乘客接受度和运营舒适性的挑战。以早前 X-42、X-51 无人试验飞行器来说,尽管速度能够达到声速的7 倍,但将技术应用到商用领域时,还必须考虑到人体的承受极限和对环境的影响。

目前来看,超音速客机要投入商业运营还有几个难关需要攻克。首当其冲的是声爆和油耗这两大技术难题。无论是协和号还是图-114,在商业运营时都由于未能解决好声爆和油耗的问题,大大降低了市场竞争力。其中,声爆是飞行器在超声速飞行时产生的一种大气声学现象,当飞行器突破声障时,会产生巨大的能量,这些能量传到地面,会产生短暂而强烈的爆炸声。因此,声爆的强弱关系到超声速客机能否被允许在陆地上空飞行,若噪声问题得不到解决,超声速客机就很难被大众接受。

针对油耗问题,如上文所说Boom公司正在探索使用可持续航空燃料的可能。但众所周知,目前可续持航空燃料的价格要远高于传统航空燃油,因此短期来看,Overture项目通过使用可持续航空燃料的方式来降低燃油成本的可能性很小。

若采用传统燃油的话,目前在研的超声速飞机的燃油效率要远低于传统飞机。不同于普通商用飞机采用的涡轮 / 涡扇喷气发动机,超声速客机要从零加速到高速,其发动机必须兼具低速和高速推进加速能力,还要实现高超声速飞行的水平起降,因此一般只能采用以火箭发动机为基础的吸气式组合发动机。目前,尽管有多家发动机制造商已经参与了超声速客机的研制,但距离真正的商业应用还有许多挑战。根据美国国际清洁交通委员会的建模测试显示,每名超声速客机乘客的燃料消耗量是亚声速飞机的5倍,这意味着当前的发动机技术在降低超声速客机的二氧化碳排放方面还有很大的进步空间。

为了攻克这些技术难题,近年来航空业一直没有停止过探索。如为了降低声爆,NASA在波音和洛克希德·马丁公司的支持下,开展了低声爆验证机飞行试验,以了解公众对低声爆的反应。NASA的低声爆验证机采用单发设计,将模拟80座级至100座级、Ma1.6至1.8飞机的激波特征。该验证机的声爆水平相比协和号低了一半。NASA 希望通过设计更改,让低声爆验证机能够将原本巨大的声爆减弱为低峰值声爆。Boom公司则正在与罗罗公司合作,双方希望通过研发燃油效率更高的发动机产品来降低超音速客机的运营成本。双方的研发目标是使Overture超音速飞机的运营成本比协和号飞机低75%,预计票价与当前民航客机的公务舱价格接近。

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