曾經(jīng)的輝煌

　　追求超音速飛行是人類長久以來的夢想。上世紀60年代，英法兩國聯(lián)合研制的“協(xié)和”客機問世，飛行速度達到兩倍音速，標志著這一夢想的實現(xiàn)。

　　1969年，“協(xié)和”客機首飛，1976年投入航線運營�！皡f(xié)和”客機可以在15000米的高空，以2.02倍音速巡航，從巴黎飛抵紐約僅需3小時20分鐘，比普通民航客機節(jié)省一半時間。1996年2月7日，一架“協(xié)和”客機僅用2小時52分鐘59秒的時間，就從倫敦飛抵紐約，創(chuàng)下了民航運輸史上的最快紀錄。

　　當時，能夠搭乘“協(xié)和”客機往返歐美大陸是許多人夢寐以求的事。有趣的是，“協(xié)和”客機從巴黎或倫敦飛抵紐約只需3個多小時，而巴黎、倫敦與紐約的時差卻有6個小時，如果旅客上午9時從巴黎出發(fā)，到達紐約時，巴黎時間為12時，而紐約當?shù)氐臅r間則為上午6時，搭乘“協(xié)和”的旅客都會很高興地說：“我們還沒出發(fā)，就已經(jīng)到了！”

　　“協(xié)和”投入航線運營后，吸引了一大批常常往返于美國和英法兩國間的工商界、政界高級人士和銀行家等客人�！皡f(xié)和”客機的服務可以用“優(yōu)質”、“高貴”來形容，每位乘客都可以免費享用香檳，機上膳食使用的餐具，都是由具有250余年歷史的著名制造商生產(chǎn)的陶瓷器和銀餐具，在人們的心目中，大大提升了“協(xié)和”客機高貴奢華的形象。

　　當然，它的票價也是水漲船高，十分昂貴。雖然“協(xié)和”客機的客座數(shù)較少，運營成本較高，但仍可盈利。在輝煌時期，英航“協(xié)和”客機獲利占英航總盈利的25%。自1976年至2003年，英國航空公司的“協(xié)和”客機共飛行5萬余個班次，累計飛行時間14萬多小時，航程22400萬公里，搭載旅客250萬人次。

　　無奈的瓶頸

　　從技術層面看，“協(xié)和”無疑是一架先進的客機，英法驕傲地將其比作一只“完美的大鳥”。看著“協(xié)和”又尖又長的機頭，人們不難想象其突破音障飛入高空時的英姿。

　　然而，事情總有兩面性，“協(xié)和”客機由于其優(yōu)越的高速特性而被人們青睞，但恰恰又是超音速飛行帶來的噪聲和環(huán)保問題，使它陷入難以自拔的困境�！皡f(xié)和”產(chǎn)生噪聲的直接原因，就是由于超音速飛行所產(chǎn)生的聲爆。

　　聲爆是物體在空氣中運動的速度突破音速時產(chǎn)生沖擊波所引起的巨大響聲，它只有在飛機作超音速飛行時才會出現(xiàn)。飛機在超音速飛行時產(chǎn)生的強壓力波，傳到地面上形成如同雷鳴的爆炸聲。聲爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰(zhàn)斗機產(chǎn)生的聲爆足以震碎門窗玻璃。

　　有人測量過，一架在16000米高空以兩倍音速飛行的“協(xié)和”客機產(chǎn)生的聲爆，對地面產(chǎn)生的壓強高達100帕，相當于在一塊一平方米左右的玻璃窗上施加10千克的力，玻璃嘩嘩直響就不難理解了。如果把壓強換算成更直觀的聲強，100帕大約相當于133分貝，而人耳的聽覺上限一般是120分貝，超過120分貝的聲音就可能破壞耳膜和聽覺神經(jīng)，引起耳聾。于是，聲爆問題就成了超音速客機發(fā)展的“瓶頸”。

　　由于上述原因，F(xiàn)AA禁止“協(xié)和”客機在陸地上空進行超音速飛行，這直接斷送了這款飛機的市場前景。2003年10月24日，“協(xié)和”客機完成最后一次飛行后全部退出市場。

　　今日的探索

　　針對“協(xié)和”的教訓，NASA認為，只有降低聲爆，才有可能使超音速客機重新回歸商業(yè)運營。為此，NASA就如何降低超音速客機在突破音障時發(fā)出的聲爆問題開展了深入研究。這項研究主要分成兩大部分：一是制定出一個人們能夠接受的低聲爆標準；二是設計出一種能符合該低聲爆標準的超音速客機。

　　首先，NASA采用目前業(yè)界統(tǒng)一使用的“感覺噪聲等級”（PLdB）來量化聲爆的大小。以“協(xié)和”為例，其PLdB的數(shù)值達到105，很難被人們接受。研究人員認為，75是陸地上空超音速飛行的可接受值，而NASA則要求將其降到70甚至更低。

　　其次，為了研制出一架能夠達到低聲爆水平的新一代超音速客機，NASA制定了X系列驗證機開發(fā)計劃。未來10年，NASA在該計劃上的投資將超過106億美元。

　　根據(jù)計劃要求，洛克希德·馬丁研制了“安靜超音速技術低聲爆飛行驗證機(QueSST)”。這架飛機是按NASA提供的價值2000萬美元的合同開展初步設計，將在2017年4月進行初步設計評審。然后，NASA將采取公開競標的方式選擇制造商開展QueSST飛機的制造工作，計劃于2019年9月完成首飛。

　　QueSST驗證機長27.4米，重9.072噸，巡航速度為1.4-1.45馬赫，巡航高度為14935-15545米，安裝一臺帶加力燃燒室的GE公司F404戰(zhàn)斗機發(fā)動機。該機雖然在尺寸上與大型運輸機相差不少，但可以模擬100-120座級的超音速大型客機的聲壓特征。

　　NASA的研究表明，新一代超音速客機使用針狀的鼻椎、更加圓滑的機身、三角翼和大后掠角翼，這些氣動外形在降低聲爆上有著突出的效果。

　　QueSST飛機的設計目標之一,是產(chǎn)生噪聲等級僅為75PLdB的S型激波，即正弦型激波，使得激波柔軟地撞擊地面而不產(chǎn)生聲爆。相比之下，“協(xié)和”客機產(chǎn)生的N型激波則會猛烈地撞擊地面，噪聲等級高達105PLdB。

　　在傳統(tǒng)超音速客機設計中，分別來自機頭、座艙蓋、進氣口、機翼和尾翼的激波在大氣中傳播時會聚集，進而產(chǎn)生更強的N型激波。低聲爆設計技術就是通過對飛機外形進行優(yōu)化，使機身不同部位產(chǎn)生強度更小的激波。同時，這些激波也不會產(chǎn)生匯聚。也就是說，將N型激波的壓力峰值變小，成為S型激波，從而聲音到達地面時會聽起來比較“柔軟”。

　　QueSST飛機在外形上具有一些明顯特征：一個穿越音速時破除弓形激波的細長尖頭的機身，一副可屏蔽噪聲的小展弦比三角翼，一臺安裝在機翼上的發(fā)動機，鴨翼和用于控制激波的垂尾頂部小平尾，位于細長機身最后端的升力平尾等。

　　這些外形設計的目的就是為了讓飛機突破音障時所產(chǎn)生的聲爆等級能夠達到75PLdB的目標。為了提供升力需求，在機身最后端布置了一個升力平尾，這與常規(guī)飛機的平尾為配平力矩而產(chǎn)生向下的力是不同的。

　　此外，洛克希德·馬丁公司的設計方案還必須滿足可縮放的要求，即要使試驗結果與大型飛機具有可比性而需要將QueSST飛機的噪聲峰值頻率控制在8赫茲，并且保持兩者的聲爆波形相似。

　　根據(jù)目前的進展，NASA預計，符合低聲爆標準的新一代超音速客機有望在未來10年左右實現(xiàn)首飛，未來15年內(nèi)投入使用，人們追求超音速飛行的夢想會在不久的將來真正實現(xiàn)。（文/王維瀚）