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新的超音速客机即将到来,你准备好了吗?

2019-11-08 16:39:08 来源: 阅读:1
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超音速飞机是指飞机速度能超过音速的飞机。1947年10月14日,美国空军上尉查尔斯·耶格驾驶X—1在12800米的高空飞行速度达到1278公里/小时,M=1.1015,人类首次突破了音障。超音速飞机按照功能分为超音速战斗机、超音速轰炸机、超音速运输机、超音速客机、超音速侦察机、超音速教练机。民用超音速客机的代表是英法联合研制的协和超音速飞机以及苏联的图-144,美国即将服役的Boom客机。

 

1962年,当电视连续剧《杰森一家》首播时,它在世界范围内引发强烈反响。大家都在想象着能有一架在在几小时内就可以到达世界各地的飞机。而在当时,像美国、苏联这些超级大国都已经实现了超音速飞行。

就像动画片中描绘的那样,超音速这个词本身就是一个超技术未来的象征。但现实是,如今大多数商用飞机的速度都比半个世纪前慢了一些,它们的主要研发方向转向了更大、载客量更多并且更舒适的飞机。然而,在2018年,NASA和两家初创公司发布了复兴超音速飞机的计划,它们详细介绍了在五年内准备做的一些事情。

在此之前,然我们了解一下——航空史的倒退

协和式飞机(Concorde)是一种由法国宇航和英国飞机公司联合研制的中程超音速客机,它和苏联图波列夫设计局的图-144同为世界上少数曾投入商业使用的超音速客机。

2003年10月24日,当协和式飞机进行最后一次飞行时,超音速客机的未来变得扑朔迷离。从纽约飞到伦敦,普通客机需要大约7个小时。然而协和式客机只用了3小时30分钟,就带着100名乘客穿越了大西洋。不过,9000美元的票价使超音速飞行成为当时的一种奢侈品,其价格是普通客机经济舱的30倍,极低的性价比限制了这种奢侈飞行的服务人群范围,当时大多数乘客是名人和富商。

协和式飞机的标志性设计是它的三角形机翼,但这种设计限制了它的客舱宽度(不到3米),而过窄的客舱会影响用户舒适度。因此,这种飞机不可能像波音787梦幻客机等现代商用飞机那样,给乘客带来良好的舒适度。

更豪华,但速度更慢

随着协和飞机的正式退役,世界上再没有提供商业营运的超音速客机。许多人都梦想着重新引入超音速客机,而这也正是各大飞机制造商目前正在计划并努力的事情。恢复超音速飞行的第一种方法是将其应用在私人飞机上。目前,一些公司正在研发新一代的超音速豪华私人飞机,为那些愿意支付高价以节省飞行时间的客户服务。

10月15日,Aerion公司发布了其与通用电气联合研发的一款新型超音速发动机,而这也是自上世纪60年代以来的首款超音速发动机。

与此同时,该公司也在与洛克希德·马丁公司合作研发新一代超音速飞机AS2,其计划让AS2在2023年进行首次飞行,恰逢协和飞机最后一次飞行20周年。

Aerion公司将于2023年发布的超音速飞机

如果这些计划得以实现,AS2将比目前的商用飞机快60%,从纽约到伦敦只需4.5小时(比协和式飞机多一个小时),最多可搭载12名乘客。这架飞机的机翼更像现代战斗机的直翼,这与协和式飞机的三角翼非常不同,因此备受关注。

层流和湍流是流体流动的一种性质。流体流动时,如果流体质点的轨迹(一般说随初始空间坐标x、y、z和时间t而变)是有规则的光滑曲线(最简单的情形是直线),这种流动叫层流,没有这种性质的流动叫湍流。

这项创新的目标是通过使气流呈层流(而非湍流)以减少摩擦和阻力,从而减少燃料消耗来实现更高效和更长的飞行。因此,AS2可以以1.4马赫(约1,730公里/小时,或声速的1.4倍)的最大速度飞行。而在近地空域,它也可以以高达0.95马赫的亚音速飞行(约1,170公里/小时),从而避免了在突破音障时产生的音爆带来的麻烦和可能的损坏。

物体运行速度接近音速时,会有一股强大的阻力,使物体产生强烈的振荡,速度衰减。这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。突破音障时,由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播,逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面,在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声,称为音爆(Sonic Boom)。

更实惠,更快捷

另一种重启超音速客机的方法是采用Boom公司发布的新方案,该公司的主要产品为XB-1系列,它的飞行时速甚至超过协和式飞机的2.04马赫,达到了2.2马赫(2717公里/小时)。据介绍,该飞机从纽约到伦敦的飞行时间约为3小时15分钟。此外,这家航空初创公司称其设计的飞机将大幅降低运营成本,使超音速飞行的票价降至目前商务舱的水平。该飞机最多可搭载55名乘客,并且能够与商务舱一样舒适。

实现这些目标的方法是保留和谐式飞机的主体设计,但让其更加精致。与已经退役的协和式飞机相比,他将会更小:从原来的62米长缩短到52米。Boom首席执行官布莱克肖尔在接受《连线》杂志采访时表示:“自协和式飞机问世以来,空气动力学、材料和发动机这三大领域发生了很大变化。通过计算机模拟,优化飞机的设计比在风洞中进行实际测试要容易得多。此外,新的碳纤维材料更轻,并且不再需要使用加力燃烧室来达到超音速。”

它会成功吗?一方面,Boom已经得到了5家主要航空公司的支持,它们已经预订了76架飞机。另一方面,用于测试Boom技术改进的XB-1原型尚未进行试飞,原计划于2017年试飞,但该公司刚刚宣布将于2019年试飞。

能够更安静吗?

这些超音速梦想的重启,伴随着一些分析师强烈的怀疑。“超音速飞机不是乘客或航空公司现在想要的,”战略航空咨询公司指出,目前最大的需求是廉价航班。独立咨询师约翰斯特里克兰德(John Strickland)也认为:“我们还需要一段时间才能看到它能否建立一个巨大而可行的市场,就像协和飞机从未做到的那样。”

对此,国际清洁运输理事会(International Council on Clean Transportation)提出了批评,该理事会在分析了超音速初创公司的方案后得出结论:“新型超音速飞机比标准飞机燃烧的燃料多5至7倍,二氧化碳排放量超过70%。”

恢复超音速飞行的另一个障碍是声音污染。 Boom没有提供任何针对音爆的解决方案,而Aerion承诺提供一种技术(该专利正在申请中),可以避免它们的飞机达到1.2马赫的速度。 然而即使这样做,他们也需寻求规章的修改才能在近地空域飞行超过1马赫,因为这在很多国家和地区都是被禁止的。与此同时,美国国家航空航天局(NASA)正与洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)合作,准备在2021年测试更安静的超音速原型机,这种飞机的设计可以防止飞机在突破音障时的声学能量积聚,降低甚至避免音爆的产生。
来源:百家号                          时间:2019-01-19

图示:自从协和式飞机退役以来,许多人都梦想着重新引入超音速客机。

7月23日消息,据国外媒体报道,自15年前超音速客机协和式飞机退役以来,业内不时有声音称要将商业航班再次实现超音速。现在看,这些计划已经在接近现实。

三家美国航空航天公司——Boom Supersonic,Aerion Supersonic和Spike Aerospac——正在竞相成为第一个将超音速客机推向市场的公司,其生产的喷气式超音速客机的飞行速度将超过1马赫,也就是每小时761英里或每小时1225公里。

这三家公司都计划在2025年让他们的超音速飞机开始服役。

图示:飞机飞行的速度越高,在空气中产生的冲击波压缩速度越快。

从技术上讲,超音速飞行并不复杂。其面临的挑战是提供一种乘客能够负担得起的服务,带来的污染更少。而且最重要的是消除协和式科技突破音障时的巨大噪声。

研究表明,当飞机突破音障时产生的巨大雷鸣般噪音甚至会对机体结构造成损害

图示:美国国家航空航天局计划的低空超音速飞行测试飞机。

“我们现在看到的是航空航天创业精神的复兴,”Boom Supersonic首席执行官兼创始人布莱克·斯克尔(Blake Scholl)表示,该公司计划建造一架能搭载55名乘客的三角翼飞机,最高速度可达到2.2马赫(约合1,451英里/每小时或2,335公里/小时)。

“协和式飞机确实走在了时代的前列。这是一项巨大的技术成就,但它的燃油效率极低,因此运行成本非常昂贵,”他说。

消除音爆?

航空监管机构的态度将是决定我们是否真正能够看到超音速客机回归的关键。

今年早些时候,洛克希德·马丁公司赢得了美国国家航空航天局一项价值2.48亿美元(合1.91亿英镑)的合同,建造一架低空飞行的超音速演示飞机。美国国家航空航天局称,它被称为X-59 QueSST(意为安静的超音速技术),将以1.42马赫(940英里/每小时)的速度在55,000英尺的高度飞行,产生的声音类似于车门关闭一样大小。

消除音爆的关键在于机身的设计。在传统的超音速喷气式飞机中,冲击波随着它们从鼻子和尾部向外扩展并聚结,从而产生两种截然不同的音爆。

图示:Spike Aerospac声称其S-512喷气式飞机可以在没有明显音爆的情况下在陆地上空进行超音速飞行。

降低噪音的关键在于飞机外形的设计,使得冲击波在远离飞机时依旧可以保持分离。这意味着冲击波传播到地面时仍然处于分离状态,从而只是产生一系列轻微的噪声。

洛克希德·马丁公司的实验飞机计划在2021年底建造完成。2022年中期,美国国家航空航天局将开始在美国各城市进行飞行测试,以收集有关当地人对超音速飞机持何种态度的数据。

从2025年开始,美国联邦航空管理局(FAA)和国际民用航空组织(ICAO)将利用这一机制起草有关在陆地上空进行超音速飞行的新规则。

目前的法规意味着民用飞机只能在水上进行超音速飞行。

Spike Aerospace公司首席执行官维克·卡乔里亚(Vik Kachoria)表示:“你必须能够在没有音爆的情况下飞行,从而不会干扰到地面上的人们。”该公司S-512公务机的设计目标是搭载12到18名乘客,以1.6马赫的速度飞行。

图示:Boom Supersonic研发中的超音速客机将搭载55名乘客。

Spike Aerospace表示,其“安静的超音速飞行技术”意味着它能够以超音速飞越陆地,而不会对人们造成不适。

Spike Aerospace还没有透露它将如何做到这一点,但它选择了的机身设计中,机翼向后略55度角。

低成本的超音速飞行?

这样以来,如果音爆问题得到了解决,那么超音速飞机的成本又如何呢?

协和式飞机上的机票价格是普通商用飞机头等舱价格的四倍。但这三家公司都表示,他们的目标是让超音速旅行不会比今天的商务舱票价贵。

从上海到洛杉矶的飞行时间——目前大约12小时——将缩短到6个多小时。

图示:波音公司认为客机有一天甚至可以飞到特超音速(超过5马赫)。

斯克尔表示,“与协和式客机往返大西洋两岸的2万美元票价相比,这更有可能是5000美元。相对于经济舱而言,这仍然是昂贵的——但如果你有财力去购买头等舱机票,你就可以节省一半的时间到达那里。”

考虑到2017年有40亿乘客乘坐飞机,其中12%(480万)是商务舱乘客,这的确是一个巨大的潜在市场。

Boom Supersonic目前正在建造一架超音速单座XB-1飞行试验演示飞机,计划在明年进行试飞。

斯克尔坚持认为超音速飞行不需要太多的新技术。

“你可以使用为其他飞机开发的先进技术——碳纤维复合材料,涡扇发动机,软件优化的空气动力学。”

协和式飞机使用相对低效的涡轮喷气发动机,而所有拟建造的超音速飞机的发动机都将使用涡轮风扇,这些涡轮风扇是已经投入商用的发动机的改进。

图示:Aerion Supersonic表示其研发的AS2超音速商务客机将使用经过实践检验的技术。

Boom Supersonic希望其商用飞机将在2020年代中期投入使用。到目前为止已经有两家航空公司与之签约——理查德布兰森的维珍集团订购了10架;日本航空公司已经订购了20架。

谁会更快?

许多人认为Aerion Supersonic将是最先将超音速飞机投入使用的公司。

Aerion Supersonic与洛克希德马丁公司合作,共同开发其计划中的超音速公务机AS2。众所周知,洛克希德马丁公司拥有丰富的高速飞机开发经验——如F-35,F-22和Mach 3 SR-71侦察机等喷气式战斗机都出自该公司。

Aerion Supersonic表示,他们已经为自己的飞机选择了一款现有的飞机发动机——它正在与通用航空公司合作,并将在今年晚些时候正式公布这款发动机。

“这款发动机拥有超过十亿小时的飞行服役时间,” Aerion Supersonic首席执行官布瑞恩·巴伦茨(Brian Barents)说,“这意味着它可以在世界任何地方提供服务。”

超音速飞机的传统解决方案是三角翼形状,但Aerion Supersonic说这可能会导致三角翼尖上的“跨度气流”,从而产生湍流气流,增加飞行阻力。

该公司表示,它选择了薄机翼设计和水平稳定器,可以将整体阻力减少20%。美国国家航空航天局已经测试了Aerion计划中的翼型,速度高达2马赫,证实了这种设计的可行性。

巴伦茨表示,“尽管飞行速度非常快,但它在很多方面都是传统的——建造技术、材料和系统——这不仅为我们的开发人员、也为客户降低了飞机的风险。”

在一个日益关注气候变化和航空旅行对环境影响的时代,Spike Aerospac的卡乔里亚认为,遵守当前和未来的法规将是超音速飞行成功的关键,并说“如果你不‘和有关团体交流’,可能就会影响到整个行业。”

来源:网易科技报道

 

编辑:龚旭
来源:百家号                     时间:2018-07-23

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