超声速客机简史
作者 倪妮
发表于 2024年4月
X- 59試验机机身长约30.3米,宽约9米,细长的锥形机头几乎占据飞机长度的1/3。

2024 年1月12日,美国国家航空航天局(NASA)与航空公司洛克希德·马丁公司共同推出静音超声速飞机X-59试验机,它将于2024年内实现首飞。据NASA介绍,X-59的飞行速度预计达到1.4马赫,即声速的1.4倍,时速为1489公里。NASA期望利用这架试验机收集数据,为新一代超声速飞机的商业化应用铺平道路。

半个世纪以前,超声速飞机就实现过商业化。1947年,美国贝尔飞机公司推出火箭动力试验机XS-1,这架飞机之后更名为X-1,在1.3万米的高空飞行时速度达到1.06马赫,成为有史以来全球第一架飞行速度超过声速的飞机,超声速飞机研发的“黄金时代”由此开启。

1960年代,超声速客机的研发项目在英国、法国、苏联和美国等国密集出现,航空业进入大国竞赛阶段。英国和法国签署了共同研制超声速客机的合作协议,研发费用由两国政府平摊,彼时的法国总统戴高乐亲自将该计划命名为“协和”(Concorde)。苏联的超声速客机研究也经彼时的最高领导人赫鲁晓夫和苏联部长会议批准后立项,图波列夫设计局负责研发。1968年,图波列夫图-144(Tupolev Tu-144)超声速客机试飞,英法共研的协和式客机则紧随其后于次年试飞。1976年,协和式客机率先投入使用,其最高飞行速度达到2.04马赫。第二年,图-144客机也开始客运,时速为2.15马赫。协和式客机与图-144由此成为迄今仅有的两款成功商业化的超声速客机。

想要实现超声速飞行,需要做好气动设计,同时为飞机提供足够强劲的动力。飞机飞行时会压缩前方空气,形成的压力波以声速传播,在0.8到1.2马赫之间的跨声速阶段,如果压力波的传播速度等于或小于飞机前进速度,后续的压力波会和已有的压力波叠加,形成激波和音障。所以设计超声速飞机的首要考虑因素就是降低飞机自身的阻力系数,以避免在跨声速阶段形成波阻极大的正激波。

在动力方面,美国国家航空航天博物馆一份获赠的藏品信息显示,协和式客机采用了奥林匹斯593发动机,它最早由布里斯托·西德利公司和斯奈克玛公司专为协和式客机的超声速巡航设计,在1975年获得完全认证,推力达到178千牛,是当时全球推力最大的涡轮喷气式发动机。

商业化应用的超声速飞行能给乘客带来前所未有的体验。如今,从伦敦飞纽约一般需要8小时,而在1996年2月7日,协和式客机从伦敦飞抵纽约仅耗时2小时52分钟59秒。2马赫的巡航速度使得客机能够追上地球自转的速度,从欧洲飞往纽约的航班在太阳落山后起飞,能够赶得上太阳,让乘客欣赏到太阳从西边升起的奇观,英国航空为此还打出了“未出发,先到达”的广告。

不过协和式客机仅限于跨洋航线,原因无他—超声速不可避免地会产生“音爆”(Sonic Boom),这种超过100分贝的噪音会令地面居民无法忍受。这也是美国缺席超声速客机商业化运营的重要原因。

其实在1960年代,美国也曾急于在超声速客机的研发上赶超英、法、苏的步伐。时任总统肯尼迪宣布政府将赞助超声速客机(Supersonic Transport,SST)的商用开发,但要满足3个条件:技术上必须可行,生产和运营必须具有成本效益,工程师必须防止音爆骚扰居民。然而未曾想,之前被视为“最简单”的音爆问题一直无法有效处理。1971年美国国会终止了SST项目,两年后,美国联邦航空管理局(FAA)禁止民用超声速飞机飞行越过陆地的规则生效,民用飞机的飞行速度不得大于1马赫。

本文刊登于《第一财经杂志》2024年4期
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