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新一代超音速客機再獲進展 NASA即將測試原型機

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發表於 2018-2-20 22:41:40 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
來源:玩物主義


近半個世紀以來,絕大多數商用客機在航速上都有一個明確的上限,即時速 1062 公里。超過這一速度的話,一架普通大小的飛機在 9,144 米的高空飛行時,便可以突破音障並產生寬達 48 公里的音爆區。
  而音爆的能量會對地面造成極大的沖擊,甚至可以震碎玻璃和牆面,以至於 1973 年美國聯邦航空管理局(FAA)不得不明令禁止民航客機在美國本土以超音速飛行。
  歷史上曾有兩種超音速飛機投入商業使用,現在都已經退役了。協和式飛機就是歷史上投入商業使用的兩種飛機之一,是由法國(專題)宇航和英國飛機公司聯合研製的中程超音速客機。
  2000 年,協和式飛機發生了那場著名的空難,機上 100 人全部遇難,協和式飛機從此一蹶不振,再加上這種客機產生的巨大噪音屢屢遭到居民投訴,3 年後這種飛機黯然退場。


  但是,超音速飛機近年又卷土重來,成為了航空航天業的熱點。它之所以如此廣泛被人們關注,原因之一在於它極快的飛行速度。
  超音速飛機可以只用半小時的時間便從倫敦到達紐約(專題),無論是概念超音速飛行汽車還是概念超音速飛機,都引起了人們極大的興趣。
  說起研發超音速飛機,NASA,洛克希德馬丁公司絕對能算領頭羊。NASA 正着手設計製造新一代超音速客機的原型機,該機型產生的噪音僅僅相當於坐在車里聽到的汽車發動機的嗡嗡聲。
  NASA正在研發的超音速飛機
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NASA 研究人員透露,一架較小尺寸的樣機已經成功進行了風洞測試,按照當前的設計,紐約到洛杉磯(專題)目前 6 小時的飛行時間將會縮短一半。
  NASA 計劃在未來五年內投入 3.9 億美元來製造原型機並在人口稠密地區進行測試。第一年的經費已列入美國總統特朗普(專題) 2018 年的預算草案中。
  NASA 商用超音速技術研究團隊的項目經理 Peter Coen 表示,未來十年,航空運輸和長途飛行的增長將推動市場對超音速飛行廣泛化的需求,這也為各飛機製造商提供更有競爭力的產品帶來了可能。
  NASA 計劃與美國飛機製造商分享之前的測試成果,這意味着像洛克希德馬丁、通用動力、波音這樣的老牌產商和 Boom 科技、Aerion 航空這樣的新興公司在超音速技術上將會搶得先機。
  過去十年來,電腦運算能力的顯著提升使得流體動力學模型成為了可能,而洛-馬就是利用該研究協助 NASA 設計了新一代的超音速客機。
  通過二者的合作,洛-馬和 NASA 在大量測試結果的基礎上描繪出了飛機外形的細小差異與超音速沖擊波之間的關系。
  洛-馬的設計主管 Peter Iosifidis 表示,他們與 NASA 最終確定的設計方案可以阻止聲波融入到音爆的 N 型波中。
  相反,這些聲波將會在飛機尾部以多點、大范圍的方式擴散,從而使超音速飛行產生的噪音只相當於普通的嗡嗡聲。
  Coen 表示,NASA 的目標是將聲級控制在 60 到 65dBa,這僅相當於一輛豪華轎車行駛在高速公路上發出的聲音或者一家熱鬧餐廳中的嘈雜聲。
  Iosifidis 表示,洛-馬的研究表明,當前的設計方案所得出的數據同樣適用於普通大小的商用飛機。他說:“現在已經達到了這個水平,只要得到公眾的認可,超音速飛行就能被接受”。
  而目前他們團隊計劃製造的原型機長達 24.7 米,可供一名飛行員的操作,飛行高度可達 16,764 米,動力方面則採用了通用電氣公司為 F/A-18 戰斗機設計的發動機。
  相比之下,作為上一代超音速客機的代表機型,協和式客機產生的噪音高達 90dBa。這也是上世紀七十年代美國國會對該客機發出禁令的原因之一。
  以當前的標准來看,協和式客機產生的噪音與如今的監管要求相去甚遠。由於禁令帶來的影響再加上其他因素,協和式客機最終淪為法航和英國航空的燒錢工具,並於 2003 年正式退出市場。
  Coen 認為,在超音速飛行的三大難題中,音爆是其中最難解決的,另外兩大難題則是過高的碳排放和過大的發動機噪音。
  通用電氣目前正在研究如何減小發動機的噪音,包括將發動機安放在機翼上。而 NASA 已資助麻省理工學院一項旨在應對環境影響的研究。
  Iosifidis 說到:“飛機製造商們不會主動去研發一款不能飛的飛機,而這正是是 NASA 想要改變的地方。我們當前的合作則會讓這一改變發生”。
  但是先別急着來一趟說走就走的超音速飛行,因為超音速飛行可能還存在第四個難題——政府監管。
  根據 1973 年的禁令,除非 FAA 或美國國會明確撤銷,否則這份在當前的技術水平下顯得過時的禁令依然有效,超音速飛行在美國本土還是被禁止的。
  此外,雖然像通用動力這樣的老牌航空企業以及 BOOM 科技這樣的新興公司都在不斷研究和攻克超音速客機當前存在的各項技術問題,但是現在所有的努力還只是在試驗階段,後面的路依然很長。
  不過 Coen 透露,如果一切都按計劃進行,從 2022 年開始 NASA 將在六個社區的上空進行原型機測試。這是呼籲立法機關和監管機構解除禁令的第一步。
  這一次不同於以往,因為最棘手的技術挑戰已經解決了。“為了實現我們的目標,我們爭取到了 NASA、白宮以及國會的大力支持。對於超音速客機的前景,我還是非常期待的”。
  自從協和式超音速客機在 2003 年退役以後,商務班機就未再實現超音速飛行。但是現在有一些飛機公司希望能夠引領一個超音速航空旅行的新時代。
  Boom Supersonic正在研發的超音速飛機

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Boom Supersonic 公司計劃打造時速達到約 2,335 公里每小時的飛機,而且將從 2023 年開始把紐約到倫敦的旅行時間縮短到 3 小時 15 分鍾(正常航班大約需要 8 小時)。
  Boom 的創始人 Blake Scholl 透露,55 座飛機可能會在 2025 年投入商業運營。他宣稱這種飛機“比協和式飛機更好”,預計將達到 2,715 公里/小時的速度。

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而該公司最終的目標,是讓每一個飛的人都能享受得起這種服務。夠便宜才是硬道理。
  Scholl 說:“噴氣式飛機時代到來 60 年後,我們仍然在以 60 年代的速度飛行。協和式飛機的設計師們沒能給我們提供廉價的超音速旅行的技術,但現在我們做到了”。
  Scholl 透露,一款名為 xb-1 的小型飛機將會在 2018 年底進行測試,這架飛機的名字叫“嬰兒潮”(Baby Boom),時速 2,330 公里/小時。
  3.5 小時內將會從倫敦飛到紐約。飛機上將搭載兩名機組人員。該公司在迪拜航空展上展示了這架飛機的模型。
  你可能會認為坐在這種高速飛機是一種令人生畏的經歷。但 Scholl 保證,乘客們甚至不會注意到這一差異。他說,這架飛機將和今天在機場其他的飛機一樣安靜。他還說,這架飛機也將比協和式飛機“安靜得多”。
  根據模擬,Boom 的設計比協和式飛機更安靜,而且效率高出 30%。這種噴氣式飛機是由頂級航空專家創造的,他們有在 NASA、SpaceX 和波音公司的工作經驗。
  在飛機內部的設計上,會分成兩排座位,每個人都有一個窗口和一個通道。為了縮短飛行時間,這種飛機將在 18,288 米的高空巡航,乘客將能夠看到地球的弧度,速度比其他客機都快 2.6 倍。
  他還表示,該公司已經從 5 家航空公司收到了 76 架客機的訂單,但是未透露這五家公司的名字。
  Boom 還得到了維珍創始人理查德·布蘭森的支持。這位傳奇大亨(電視劇)證實,維珍航空可能會購買 10 架超音速客機。
  Scholl 說,大約有 500 條航線適合飛機的市場,包括從舊金山(專題)到東京的 5 個小時飛行,以及從洛杉磯到悉尼的 6 小時飛行。
  高超音速飛機
  也有一些公司並不滿足於超音速飛行,它們設計了所謂的高超音速飛機,能夠達到 5 倍音速,大約相當於約 6,115 公里每小時。
  這些超快的飛機最初很可能將被軍方用於執行打擊或者偵查任務。但是專家稱,高超音速技術能夠最終應用於商業飛行。那樣的話,地球上的任何地方都能夠在三小時內到達。
  波音公司高超音速技術研究領域的首席科學家和高級技術人員 Kevin Bowcutt 博士稱:“這項技術當然屬於可能實現的范疇,我認為我們已經能夠真正利用這項技術”。
  但是打造一款能夠以高超音速飛行的飛機並不容易。一些飛機已經實現了速度的突破,其中包括波音公司實驗性的 X-51A WaveRider。但是目前所有的高超音速飛機都是用火箭引擎或者用過的火箭助推器提供動力的。
  火箭雖然強大但是很沉重,因為它們需要攜帶氧氣供燃料燃燒。Bowcutt 稱:“火箭引擎用於航空和導彈領域是非常棒的,但是用於運送乘客有點不太理想”。
  這也是為何波音公司和洛克希德馬丁公司致力於研發噴氣式高超音速飛機的原因。目前關於這些高超音速飛機的信息還很少,洛克希德馬丁公司也拒絕透漏飛機的任何細節。
  波音公司在奧蘭多的一場會議上公布了一項最新的設計。這種外形圓滑的飛機將由渦輪發動機提供動力,與傳統的商業飛機飛行相似。
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它的起飛和降落速度很慢,但是在它的大部分飛行過程中,它將轉換使用另外一種雙模式沖壓發動機,這種發動機只有速度超過 3 馬赫(3 倍音速)時才會運行。
  常規的渦輪發動機使用旋轉的扇葉吸入空氣並且進行壓縮,使氧氣與燃料接觸。但是如果在高超音速時使用,這種引擎會被熔化。
  沖壓式噴氣發動機藉助高速飛行產生的沖擊波來壓縮進入的空氣。Bowcutt 稱,這樣的高速飛行會產生驚人的摩擦力,因此一架高超音速飛機必須由鎳合金這樣的耐熱材料打造。
  藉助這項技術打造的高超音速飛機有可能在 10 到 20 年內問世。那麼乘坐這樣一架飛機會有什麼樣的感受呢?
  Bowcutt 稱:“在飛機加速起飛時你會像乘坐普通客機一樣體驗到推背感。唯一的區別在於,高超音速飛機的起飛感覺會持續一段時間,直到達到一定的速度和高度。之後的感覺就和任何其它飛機沒有區別了”。
  高超音速飛機將在約 27.4 千米到 30.4 千米。這一飛行高度超過現在的客機(通常在約 10.6 千米),這一高度足以讓你看到下方地球的曲面和頭頂的黑暗太空。
  為了強化機身,高超音速飛機或許會用虛擬窗戶取代真正的窗戶。安裝在飛機外部的攝像頭將把外面的景象傳遞到虛擬屏幕上,讓你獲得真實體驗。
  超音速飛行和高超音速飛行在實現商業航空應用之前還面臨着許多阻礙。其中一個問題就是需要解決這一高度上排放帶來的環境影響。
  另外一個就是需要為這種超快形式的旅行找到足夠的市場。為了支撐它的高超音速速度,協和式超音速噴射客機為每位乘客攜帶的燃料是其它客機的 4 倍,這也會導致票價提升。
  美國航空租賃公司董事兼 CEO John Plueger 在談及高超音速乘客旅行時稱:“這項技術至少還需要 15 到 20 年時間,才能夠具有成本競爭優勢,讓其它航空公司重視它的存在”。


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