重啟人類超音速之旅 還有哪些技術(shù)問題需要克服

乘坐超音速客機(jī)出行是人類一直渴望實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想。但隨著圖-144項(xiàng)目的終止和協(xié)和式客機(jī)停飛，宣告人類對(duì)于超音速客機(jī)的第一輪探索遭遇失敗。超音速客機(jī)的概念甚至一段時(shí)間無人問津。近年來，隨著航空技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超音速客機(jī)再次走入人們視野，大有重出江湖之勢(shì)。

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(wù)飛機(jī)AS2。我國也在該領(lǐng)域積極探索，如中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司正在與西北工業(yè)大學(xué)合作突破超音速客機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)問題。超音速客機(jī)為何如此有吸引力，重新實(shí)現(xiàn)人類超音速旅行的夢(mèng)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(jī)為代表的第一代超音速客機(jī)由于種種原因退出了歷史舞臺(tái)，但是對(duì)于新一代超音速客機(jī)的研究從未停止過。”西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院副教授李占科在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，美俄等多個(gè)具有航空研發(fā)能力的國家一直都在積極進(jìn)行新一代超音速客機(jī)方案及其相關(guān)技術(shù)的研究，以求在未來的新一代超音速客機(jī)領(lǐng)域中占有一席之地。這是因?yàn)楦斓穆眯兴俣仁侨祟愑篮愕淖非?。超音速客機(jī)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(jī)發(fā)展規(guī)劃中將超音速客機(jī)的發(fā)展分為“三步走”戰(zhàn)略。首先是發(fā)展20座以下商務(wù)客機(jī);接下來研發(fā)25—100座支線客機(jī);最后是推出100座以上大型客機(jī)。當(dāng)然分為三步走的發(fā)展戰(zhàn)略也主要是基于技術(shù)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(wù)飛機(jī)其實(shí)是處在超音速客機(jī)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(yù)研工作。如西北工業(yè)大學(xué)率先成立了“超音速客機(jī)研究團(tuán)隊(duì)”，對(duì)聲爆預(yù)測、減阻、低聲爆設(shè)計(jì)方法、新概念布局與綜合優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究，提出了15座級(jí)的小型超音速公務(wù)機(jī)初步設(shè)計(jì)方案，并對(duì)150座級(jí)大型低聲爆低阻超音速客機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)。北京航空航天大學(xué)李曉東教授、南京航空航天大學(xué)張海波教授等也分別對(duì)超音速客機(jī)聲爆預(yù)測、綜合控制等領(lǐng)域開展研究。成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院等也參與了超音速客機(jī)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究設(shè)計(jì)。

減噪降阻設(shè)計(jì)難 動(dòng)力材料問題多

“雖然各國紛紛啟動(dòng)新一代超音速客機(jī)研究計(jì)劃，但要形成型號(hào)還有一系列問題要研究解決。”李占科指出，首先就是聲爆計(jì)算分析和預(yù)測以及聲爆抑制技術(shù)。聲爆是超音速飛機(jī)飛行時(shí)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(jī)協(xié)和式飛機(jī)就是由于聲爆太強(qiáng)，所以被限制不得在大陸上空進(jìn)行超音速飛行，這成為其商業(yè)失敗的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)，也就是超音速客機(jī)聲爆≤70分貝，才能在大陸上空飛行。聲爆已經(jīng)成為關(guān)乎新一代超音速客機(jī)能否被允許投入營運(yùn)的技術(shù)瓶頸問題。發(fā)展和掌握精確的聲爆計(jì)算分析和預(yù)測方法是開展超音速客機(jī)研究首先要解決的問題，這也是從理論上評(píng)價(jià)新一代超音速客機(jī)設(shè)計(jì)方案的聲爆水平是否達(dá)標(biāo)所需的基本工具和手段。

李占科表示，超音速客機(jī)要研究的另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)問題就是超音速減阻技術(shù)。相比亞音速客機(jī)，超音速客機(jī)會(huì)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(huì)比0.8馬赫以下時(shí)大4倍左右。高的阻力系數(shù)意味著高的燃油消耗，經(jīng)濟(jì)性隨之變差。而商用飛機(jī)能否持續(xù)運(yùn)營，經(jīng)濟(jì)性仍然是航空公司最大的考慮因素。“此外，從飛機(jī)設(shè)計(jì)角度來說，用于亞音速飛行和超音速飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)具有相當(dāng)?shù)牟町悺?rdquo;李占科補(bǔ)充道，亞音速客機(jī)普遍采用油耗和噪聲較小的高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。但超音速飛行則需要采用迎風(fēng)面積較小、低涵道比的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。因此如何設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)使其能夠兼顧超音速客機(jī)亞音速和超音速兩種飛行狀態(tài)，也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

或許超音速客機(jī)“再現(xiàn)”的難題不止于此。中國民用航空飛行學(xué)院教師岳源談到，首先超音速客機(jī)外載荷更大，對(duì)飛機(jī)材料和結(jié)構(gòu)的要求更高，特別是對(duì)機(jī)翼翼根的強(qiáng)度、剛度要求會(huì)更高。其次，現(xiàn)在客機(jī)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(jī)，這類飛機(jī)相比客機(jī)展弦比要小得多。所以，還要設(shè)計(jì)新的翼型。最后，超音速客機(jī)控制系統(tǒng)的邊界、約束條件相比亞音速客機(jī)都有所變化，其飛行控制系統(tǒng)也會(huì)有所不同。

對(duì)癥下藥解難題 超音速客機(jī)前景可期

“隨著自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)等新型發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟，空氣動(dòng)力學(xué)、航電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展?，F(xiàn)階段航空技術(shù)的儲(chǔ)備已經(jīng)為超音速商業(yè)飛行的運(yùn)營和維護(hù)打下了一定基礎(chǔ)，超音速客機(jī)的前景可期。”岳源看好超音速客機(jī)的前景。

岳源指出，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)不同的需求在多種模式下工作，使飛機(jī)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(jìn)一步談到，美國通用電氣和普惠正在發(fā)展自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究表明，這種發(fā)動(dòng)機(jī)是馬赫數(shù)小于3的超音速客機(jī)的理想動(dòng)力裝置。

對(duì)于聲爆問題，聲爆計(jì)算分析方法、低聲爆優(yōu)化理論及設(shè)計(jì)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(shù)為解決聲爆問題提供了可能。

“聲爆計(jì)算分析方法旨在對(duì)給定的超音速客機(jī)方案進(jìn)行聲爆預(yù)測分析和評(píng)估，這是聲爆研究的根本。”李占科表示，簡化的聲爆預(yù)測方法可以計(jì)算分析聲爆超壓和持續(xù)時(shí)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(duì)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(xué)相結(jié)合，達(dá)到更高精度的聲爆預(yù)測及評(píng)估。“而低聲爆優(yōu)化理論則是在聲爆預(yù)測、評(píng)估的基礎(chǔ)之上有的放矢，對(duì)飛機(jī)外形進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jī)頭形成若干道弱激波，取代飛機(jī)頭部原來的弓形激波，達(dá)到降低遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)在超音速氣流中的能量注入，憑借其熱效應(yīng)和電離效應(yīng)誘導(dǎo)出一系列弱激波，從而降低聲爆。

“對(duì)于超音速減阻技術(shù)研究，目前研究最多的是層流減阻技術(shù)。”李占科表示，超音速飛行過程中，飛機(jī)表面與空氣摩擦引起的摩擦阻力(摩阻)約占總阻力的20%—40%。空氣流動(dòng)有“溫和”的層流狀態(tài)和相對(duì)“粗暴”的湍流狀態(tài)，層流中流體中質(zhì)點(diǎn)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(xì)流，好似一個(gè)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(jī)的層流摩阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于湍流摩阻。但是，目前大部分客機(jī)的巡航過程均處于全湍流狀態(tài)。因此，層流減阻技術(shù)通常通過適當(dāng)?shù)耐庑卧O(shè)計(jì)或通過一些流動(dòng)干預(yù)，需要盡可能擴(kuò)大飛機(jī)表面層流區(qū)范圍，以減小摩阻。該技術(shù)在降低音障阻力上很有潛力，可減少5%—10%的阻力。

“事實(shí)上，采用常規(guī)布局已經(jīng)無法滿足超音速客機(jī)低聲爆及低阻的苛刻設(shè)計(jì)要求。因此要發(fā)展新概念布局，并采用綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)來達(dá)到超音速客機(jī)的設(shè)計(jì)要求。”李占科說。(于紫月)

關(guān)鍵詞： 超音速 技術(shù)問題