重啟人類超音速之旅 還有哪些技術問題需要克服

乘坐超音速客機出行是人類一直渴望實現(xiàn)的夢想。但隨著圖-144項目的終止和協(xié)和式客機停飛，宣告人類對于超音速客機的第一輪探索遭遇失敗。超音速客機的概念甚至一段時間無人問津。近年來，隨著航空技術的進一步發(fā)展，超音速客機再次走入人們視野，大有重出江湖之勢。

近日，航空業(yè)巨頭波音公司宣布將與Aerion公司合作開發(fā)世界上第一架超音速商務飛機AS2。我國也在該領域積極探索，如中國商用飛機有限責任公司正在與西北工業(yè)大學合作突破超音速客機的關鍵技術問題。超音速客機為何如此有吸引力，重新實現(xiàn)人類超音速旅行的夢想又要克服哪些難題?

追求更快旅行速度 我國開展系列研究

“盡管在2003年以協(xié)和式客機為代表的第一代超音速客機由于種種原因退出了歷史舞臺，但是對于新一代超音速客機的研究從未停止過。”西北工業(yè)大學航空學院副教授李占科在接受科技日報記者采訪時表示，美俄等多個具有航空研發(fā)能力的國家一直都在積極進行新一代超音速客機方案及其相關技術的研究，以求在未來的新一代超音速客機領域中占有一席之地。這是因為更快的旅行速度是人類永恒的追求。超音速客機在民用航空中的作用，類似于鐵路系統(tǒng)中的“高鐵”列車。

李占科介紹，10年前，美國國家航空航天局(NASA) 就在其2020—2035“N+3代”超音速客機發(fā)展規(guī)劃中將超音速客機的發(fā)展分為“三步走”戰(zhàn)略。首先是發(fā)展20座以下商務客機;接下來研發(fā)25—100座支線客機;最后是推出100座以上大型客機。當然分為三步走的發(fā)展戰(zhàn)略也主要是基于技術發(fā)展的現(xiàn)狀和未來發(fā)展的可行性上的考慮。目前波音公司與Aerion公司合作開發(fā)超音速商務飛機其實是處在超音速客機發(fā)展“三步走”的第一步。

目前，除了中國商飛，國內(nèi)高校及科研單位也在很早之前就開展了一系列預研工作。如西北工業(yè)大學率先成立了“超音速客機研究團隊”，對聲爆預測、減阻、低聲爆設計方法、新概念布局與綜合優(yōu)化等關鍵技術問題進行研究，提出了15座級的小型超音速公務機初步設計方案，并對150座級大型低聲爆低阻超音速客機進行了詳細的方案設計。北京航空航天大學李曉東教授、南京航空航天大學張海波教授等也分別對超音速客機聲爆預測、綜合控制等領域開展研究。成都飛機設計研究所、航空工業(yè)第一飛機設計研究院等也參與了超音速客機相關關鍵技術的研究設計。

減噪降阻設計難 動力材料問題多

“雖然各國紛紛啟動新一代超音速客機研究計劃，但要形成型號還有一系列問題要研究解決。”李占科指出，首先就是聲爆計算分析和預測以及聲爆抑制技術。聲爆是超音速飛機飛行時產(chǎn)生的沖擊波傳到地面形成的爆炸聲。第一代超音速客機協(xié)和式飛機就是由于聲爆太強，所以被限制不得在大陸上空進行超音速飛行，這成為其商業(yè)失敗的關鍵性因素之一。國際民航組織(ICAO)明確指出：聲爆必須降低到可接受的標準，也就是超音速客機聲爆≤70分貝，才能在大陸上空飛行。聲爆已經(jīng)成為關乎新一代超音速客機能否被允許投入營運的技術瓶頸問題。發(fā)展和掌握精確的聲爆計算分析和預測方法是開展超音速客機研究首先要解決的問題，這也是從理論上評價新一代超音速客機設計方案的聲爆水平是否達標所需的基本工具和手段。

李占科表示，超音速客機要研究的另一個技術難點問題就是超音速減阻技術。相比亞音速客機，超音速客機會有激波阻力，尤其在0.8到1.2馬赫之間的跨音速階段，阻力系數(shù)峰值會比0.8馬赫以下時大4倍左右。高的阻力系數(shù)意味著高的燃油消耗，經(jīng)濟性隨之變差。而商用飛機能否持續(xù)運營，經(jīng)濟性仍然是航空公司最大的考慮因素。“此外，從飛機設計角度來說，用于亞音速飛行和超音速飛行的發(fā)動機也會具有相當?shù)牟町悺?rdquo;李占科補充道，亞音速客機普遍采用油耗和噪聲較小的高涵道比渦扇發(fā)動機。但超音速飛行則需要采用迎風面積較小、低涵道比的渦噴發(fā)動機。因此如何設計發(fā)動機使其能夠兼顧超音速客機亞音速和超音速兩種飛行狀態(tài)，也是一個技術難點。

或許超音速客機“再現(xiàn)”的難題不止于此。中國民用航空飛行學院教師岳源談到，首先超音速客機外載荷更大，對飛機材料和結構的要求更高，特別是對機翼翼根的強度、剛度要求會更高。其次，現(xiàn)在客機主要使用超臨界翼型，主要用在跨音速階段的飛行，不適用于超音速飛行。適用于超音速飛行多是戰(zhàn)斗機，這類飛機相比客機展弦比要小得多。所以，還要設計新的翼型。最后，超音速客機控制系統(tǒng)的邊界、約束條件相比亞音速客機都有所變化，其飛行控制系統(tǒng)也會有所不同。

對癥下藥解難題 超音速客機前景可期

“隨著自適應變循環(huán)發(fā)動機等新型發(fā)動機的成熟，空氣動力學、航電技術的進一步發(fā)展?，F(xiàn)階段航空技術的儲備已經(jīng)為超音速商業(yè)飛行的運營和維護打下了一定基礎，超音速客機的前景可期。”岳源看好超音速客機的前景。

岳源指出，自適應變循環(huán)發(fā)動機可以根據(jù)不同的需求在多種模式下工作，使飛機在亞音速、跨音速、超音速狀態(tài)下都具有良好的性能。李占科進一步談到，美國通用電氣和普惠正在發(fā)展自適應變循環(huán)發(fā)動機。美國空軍研究實驗室相關研究表明，這種發(fā)動機是馬赫數(shù)小于3的超音速客機的理想動力裝置。

對于聲爆問題，聲爆計算分析方法、低聲爆優(yōu)化理論及設計方法的發(fā)展，以及靜音錐和脫體能量注入等一些新概念的聲爆局部抑制技術為解決聲爆問題提供了可能。

“聲爆計算分析方法旨在對給定的超音速客機方案進行聲爆預測分析和評估，這是聲爆研究的根本。”李占科表示，簡化的聲爆預測方法可以計算分析聲爆超壓和持續(xù)時間、不同高度和速度下的噪聲水平(分貝數(shù))、馬赫錐壓力分布以及聲爆對地面的影響區(qū)域等。除此之外，還有超音速線化理論等更多理論方法與幾何聲學相結合，達到更高精度的聲爆預測及評估。“而低聲爆優(yōu)化理論則是在聲爆預測、評估的基礎之上有的放矢，對飛機外形進行設計以期能夠有效降低聲爆。”

“靜音錐是由若干段可伸縮的圓錐體與圓柱體互相連接而組成的，可以在機頭形成若干道弱激波，取代飛機頭部原來的弓形激波，達到降低遠場聲爆水平的目的。”李占科表示，脫體能量注入則是一種“虛擬靜音錐”，即通過高能微波、激光照射實現(xiàn)在超音速氣流中的能量注入，憑借其熱效應和電離效應誘導出一系列弱激波，從而降低聲爆。

“對于超音速減阻技術研究，目前研究最多的是層流減阻技術。”李占科表示，超音速飛行過程中，飛機表面與空氣摩擦引起的摩擦阻力(摩阻)約占總阻力的20%—40%?？諝饬鲃佑?ldquo;溫和”的層流狀態(tài)和相對“粗暴”的湍流狀態(tài)，層流中流體中質點的軌跡呈現(xiàn)有規(guī)則的光滑曲線，否則即為湍流。就像日常生活中我們打開水龍頭，自來水涓涓細流，好似一個透明的水晶柱，即為層流;自來水噴涌而出，夾雜著無數(shù)氣泡肆意飛濺，即為湍流。相同來流條件下，飛機的層流摩阻遠遠低于湍流摩阻。但是，目前大部分客機的巡航過程均處于全湍流狀態(tài)。因此，層流減阻技術通常通過適當?shù)耐庑卧O計或通過一些流動干預，需要盡可能擴大飛機表面層流區(qū)范圍，以減小摩阻。該技術在降低音障阻力上很有潛力，可減少5%—10%的阻力。

“事實上，采用常規(guī)布局已經(jīng)無法滿足超音速客機低聲爆及低阻的苛刻設計要求。因此要發(fā)展新概念布局，并采用綜合優(yōu)化設計技術來達到超音速客機的設計要求。”李占科說。(于紫月)

關鍵詞： 超音速 技術問題