[科普中国]-超音速运输机

发展历史跨越音速

对于民用飞机而言，如今是亚音速飞机一统天下的时代。波音和空客研制的大型喷气客机，其最大巡航速度都在0.85～0.90马 赫（900～950千米/小时，因而被称为高亚音速飞机。要进一步提高它们的飞行速度，那就必须进行超音速飞行，这时，我们将遇见音障问题。

音障，又称声障。20世纪40年代后期，人们在实践中发现，在飞行速度达到音速的十分之九（0.9马 赫，约 950千米/小时）时，飞机上的局部气流速度可能就达到音速，产生局部激波，从而使气动阻力剧增。更严重的是，激波会使流经机翼和机身表面的气流变得非常紊乱，从而使飞机剧烈抖动，操纵十分困难。这就是所谓的音障问题。20世纪50年代，随着喷气发动机研制成功和飞机气动外形设计的改进，人们终于突破了音障，跨越音速，成功进入超音速飞行时代。超音速技术首先被应用在军用飞机上，随着人们对提高民用飞机飞行速度的渴望越来越强烈，超音速客机终于应运而生。1

曾经圆梦20世纪60年代初，在人们对超音速客机市场前景十分看好的形势下，捷足先登的是英法两国。1962年，英法两国签署了一项政府合作协议，决定联合研制超音速客机。1963年1月，法国总统戴高乐将这款飞机命名为“协和”。1976年1月21日，“协和”正式投入商业运营。英国航空公司的“协和”客机共飞行了差不多5万个班次，总计飞行时间达到14万个小时，航程为22400 万公里。在 近 30 年 中， 共 有 250万人次乘坐过“协和”客机，其中包括：英国王太后，她曾在“协和”客机上庆祝自己的85 岁生日；英国前首相托尼 ·布莱尔，他曾乘坐“协和”客机前往华盛顿与美国前总统布什会谈；摇滚明星菲尔 · 柯林斯，他曾于 1985 年乘坐“协和”客机到大洋彼岸，出席在同一天举行的两场现场音乐会……人们终于圆了快速飞行的超音速客机梦。

与“协和”飞机同时期出现的另一款超音速客机是前苏联的Tu-144客机。由图波列夫设计局研制的Tu-144在外形上与“协和”非常接近，并被西方戏称为“协和斯基”。但实际上，两者有很大的不同。两款超音速客机在外观上最大的区别是“协和”飞机采用 S 形前缘三角翼，而Tu-144 采用的是双三角翼.Tu-144 的原型机于1968年12月31日在莫斯科附近首次试飞，比“协和”的首飞早了两个多月。其最大巡航速度为2.35马 赫，最大航程6500千米。这些指标都优于“协和”。1

遭遇挫折然而，崭露头角的超音速客机命运多舛，分别发生在Tu-144 和“协和”飞机上的两次重大飞行事故，令超音速客机遭遇灭顶之灾。

1973年6月3日，一架Tu-144在参加巴黎航展时突然坠毁，这是超音速客机第一次发生重大事故。

2000年7月25日，法国航空公司的一架“协和”在戴高乐机场滑行起飞时失事，造成机上100名乘客、9名机组成员全部遇难。

此后波音公司于2001年提出声速巡航者(Sonic Cruiser)概念声速客机,其设计速度比现不少民航客机快，接近声速的水平。但由于设计难度太大，该计划在耗费了数十亿美元后被迫下马，最终只停留在图纸上。

导致超音速客机退出历史舞台的还有更深层次的原因，如经济性差、载客量偏小、运营成本较高以及噪音等问题。其中，最严重的是噪音问题，即由超音速飞行所产生的音爆问题。由于音爆严重扰民，许多机场拒绝“协和”飞机起降。美国联邦航空局（FAA）明确规定，不允许超音速客机在美国本土内跨大陆飞行，最终导致超音速客机成为“禁止在陆地上空飞行”的飞机。

“音爆”是物体在空气中运动的速度突破音速时产生冲击波所引起的巨大响声。飞机在超音速飞行时产生的强压力波，传到地面上形成如同雷鸣的爆炸声。音爆的能量巨大，一架低空超音速飞行的战斗机产生的音爆足以震碎门窗玻璃。有人测量过,一架在16000米高空以2马赫速度飞行的协和客机产生的音爆对地面的压强高达100帕，相当于给一块一平米左右的玻璃窗施加10公斤的力，玻璃哗哗直响就不足为奇了。

2003年10月24日，“协和”在完成最后一次飞行后，正式退出市场。从此，天空中不再有超音速客机的身影。1

研究挑战经济性一般亚声速客机的升阻比都在20左右这一量级，超声速飞机一般超不多10。超声速客机为减租通常机身细而长，载客量明显小于亚声速宽体客机，因此使用成本很高。

噪声从某种意义上说,音爆问题造成的经济性差导致了“协和式”超音速客机的商业失败。在超音速客机的设计中,音爆已成为决定和衡量方案成败的关键技术指标之一,也是超音速客机设计必须解决的关键技术问题。因此,探索预测音爆水平的相关技术以求降低飞机的音爆水平已成为当务之急。2

空气动力技术众所周知，飞行器的升阻比对飞行器有效载荷及性能有很大影响。升阻比越大，有效载荷越大，所以提高升阻比是飞机外形设计时追求的一个主要目标。在超音速情况下，由于有激波阻力的存在，增加升阻比要困难的多。另外一个气动力问题就是改善飞机的低速性能们对于超音速客机我们往往追求超音速时的性能，因此在低速时飞机的性能不易保证，这包括增升装置的研究。3

材料超音速飞行器对材料要求较高。由于飞行速度较高，飞机表面温度很高，所以需要耐高温的材料。目前来看，新型耐高温复合材料的使用给超音速飞机的制造带来了曙光，然而其中仍然存在这一些问题。4

未来展望美国在美国，NASA（美国国家航空航天局）早已着手组织研究音爆问题。在 NASA 的资助下，波音和洛克希德 · 马丁分别完成了新一代超音速客机的概念设计方案，然后由 NASA 进行模型风洞试验和飞行验证试验。目前，上述试验已经基本完成。测试结果表明，新一代超音速客机通过使用针状的鼻椎、更加圆滑的机身、三角翼气动布局和大后掠角翼等技术，能有效降低音爆的影响。波音完成的新一代超音速客机方案被命名为“图标 -2”。该方案采用大后掠机翼、双斜尾、细长针状机头和双发翼上安装布局。其动力装置采用低涵道比加力燃烧涡扇发动机，该设计旨在大幅降低音爆水平并节省燃料。洛克希德 · 马丁设计的是一款“超音速绿色飞机”。这款飞机采用了传统的大后掠三角翼布局，单垂尾，全动平尾。该方案的关键性创新在于采用了倒“V”字形发动机，这样的布局可以大大降低音爆产生的影响，燃油利用效率也得到明显提高。对上述两种型号超音速客机的全尺寸低音爆验证飞行试验，NASA 正在积极准备中，第一阶段验证计划将在 2017 年完成。1

欧洲在欧洲，2008年2月6日，英国公布了一款名为A2的新型超音速客机模型。按照设计，A2的最大航程可达 20120千米，可搭载300名乘客，在30500米高空以5马赫左右的速度飞行。为实现上述目标，A2 将使用更加环保的液氢发动机。为解决超音速飞行中客机表面温度过高的问题，A2采用了特别的外形设计，机身长达143米，是目前世界上最大客机——空客 A380 机身长度的两倍。与此同时，空客也宣布了一项名为“马赫 4”的超音速飞机研发计划。这架飞机将使用从海藻中提炼的生物燃料，使整个飞行过程“零污染”。它在起飞时将使用传统的喷气发动机，达到一定高度后，飞行员将打开一对火箭发动机，使飞机提速。1

俄罗斯有消息称，俄罗斯正在设计能将“大舰队”坦克及其弹药运送到世界上任何地方的新概念运输机，这种还在设计阶段的新概念运输机代号“PAK-TA”，将实现超音速飞行(最高速度可达2000千米/小时)，并且拥有高达200吨的有效载荷，单次加油可飞行7000千米，这将使俄罗斯实现全球军事快速反应能力。

新型运输机的机体外形采用翼身融合“飞翼”布局与常规布局的混合体，拥有大展弦比的机翼、宽体化的流线型机身和常规飞机的V形尾翼设计。机身背部靠近V形尾翼的地方安装一台背负式的大涵道比涡扇发动机。该发动机兼具发电功能，所产生的电力储存在发动机进气道前方的机身背部空间内的储能系统，然后再把电力分配给机翼根部2个巨大空腔内的2台电力驱动风扇，其所产生的高速气流通过机翼后缘的锯齿状喷口流出，形成推力，机翼后缘还可以通过偏转产生矢量推力。V形尾翼位于机身扁平尾部的上方，倾斜角度较大。值得一提的是，“PAK-TA”兼有喷气式运输机高速度和螺旋桨发动机的低油耗优点，可以满足长航程的需要，而且该机的气动外形设计还有利于隐身。

据俄罗斯媒体报道，目前俄罗斯军用运输机的主力仍然是伊尔-76，已难以满足未来的军事需求，而俄罗斯与乌克兰共同开发安-70运输机的计划也已泡汤。在这种背景下，俄罗斯必须另谋出路，自己开发未来的超级军用运输机，以便运输“大舰队”主战坦克等重型军事装备。目前，“PAK-TA”项目已经设计了多款机型，计划在2024年开始生产，最终将取代俄军目前服役的运输机。这意味十年后俄军将可以在世界上任何地方快速部署重装部队。5

英国著名诗人阿 · 丁尼生说：“梦想只要能持久，就能成为现实”。从20世纪60年代至今，人们为了追求超音速飞行的梦想已经走过半个多世纪的艰辛路程。尽管困难重重，屡遭挫折，但梦想从未中断。如今，我们再度站在梦想的大门前。NASA 预计，符合低音爆标准的新一代超音速客机有望在未来10年左右实现首飞，15年内投入使用。人们实现超音速飞行的梦想终将会在不久的将来真正实现。