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超音速客机想再次上天?解决音爆是首要问题

时间:2018-09-01 15:23来源:网易科技频道 作者:中国航空


美国国家航空航天局商业超音速技术项目项目经理皮特科恩(Peter Coen)说,在此次合作中,美国国家航空航天局的任务是设计使超音速客机再次成为现实的通用技术。至少目前看来,最终谁将使用这种技术制造出一架载客飞机并不重要。

科恩说:“我们的目标是让超音速客机能够高效地在任何航线上飞行,同时也也更加环保。我们正在推广这项技术,希望整个航空航天业可以利用这项技术制造出超越协和式飞机局限性的成功产品。”


图示:飞机产生音爆原理图

2006年,美国国家航空航天局利用现有研究重新启动了超音速飞机的音波衰减研究。自上世纪60年代以来,相关的航空设计和数学研究一直在稳步推进。早期的一个步骤是制造出20英寸长的LBFD设计模型,并预测音爆到达地面时的强度。

科恩说:“我们真正想要的是音爆传导到地面时带来的噪音尽可能低。我们发现了最好的方法……就是控制每个冲击波的强度和位置,使它们在强度上相对平衡。”

洛克希德·马丁公司和美国国家航空航天局将于明年在位于加州帕姆代尔的洛克希德公司臭鼬(Skunk Works)工厂开始建造第一架验证机。臭鼬工厂往往以生产美国空军最隐秘的飞机而闻名,其中包括U-2侦察机、F-117夜鹰战机和SR-71黑鸟战机。

在首次试飞以验证LBFD的适航性之后,洛克希德公司和美国国家航空航天局将开始在人口密集地区进行超音速飞行,以确保飞机的声学性能达到设计水平,并收集公众对超音速飞机低空飞行的反应。目前,这些测试计划将于2022年在爱德华兹空军基地附近开始。

科恩说:“我们真的希望得到尽可能广泛的回应。我们想知道反复进行超音速的飞行的影响是什么。”

音爆问题

音爆是当飞机超音速飞行时产生的冲击波。如果你想要飞机的飞行速度超过音速,那么根本就没有办法绕过音爆。

在飞行过程中,飞机将空气分子推开,产生一系列的压力波,以声速(1马赫)朝各个方向移动。当飞机的速度接近音速时,这些波的速度开始无法超越你的飞机,它们开始压缩在一起,形成一个锥形的冲击波。这就像船在水中移动时的状况:在船速足够慢的情况下,船头产生的波浪比船速度快,会保持在船头前面。但是一旦船开始快速移动,波浪就无法前进并开始形成尾流。

当一架飞机突破音障时,冲击波锥会辐射开来,然后从飞机向下和向后辐射到地面。冲击波本身呈“N”形状,气压突然上升,接着气压突然下降,然后又恢复正常。气压变化导致地面上的人听到两声巨响,这就形成了音爆。飞机离地面越近,产生的音爆就越大。

一个常见的误解是,飞机只有在突破音障时才会产生音爆。相反,音爆是飞机在超音速飞行的整个过程中产生的连续效应。所以,如果你从纽约乘超音速飞机去洛杉矶,当你从头顶飞过时,在飞行航线下的所有人都会听到巨大的轰鸣声。

由于音爆会影响到公众,干扰野生动物,打碎玻璃和破坏旧建筑物,商业超音速飞行几乎从一开始就注定了最终的失败。1964年,美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)在俄克拉荷马城上空进行了一系列测试,以观察音爆对人口密集地区的影响。在6个月的时间里,空军飞机在白天产生了1253个音爆。

尽管居民们一开始是愿意接受检测的,但在最初两个月后,投诉和有关音爆造成破坏的报告就急剧增加,最终导致该项目提前结束。对音爆的反对,尤其是来自环保人士的反对,从那以后就越来越多。同样,协和式飞机在1969年开始试飞,7年后开始客运飞行,这期间一直面临着来自全世界的抗议。

关于商业超音速飞机的热潮

而其他致力于恢复超音速商业飞行的公司则采取了不同的方法。总部位于波士顿的SpikeAerospace公司也在开发一种低音爆的飞机,其S-512超音速飞机是一种可容纳18人的商务喷气式飞机。

Spike Aerospace总裁兼首席执行官维克·卡乔里亚(Vik Kachoria)表示,他的公司之所以选择研发小型飞机有两个原因:商务客户比普通客户更愿意花钱乘坐超音速飞机,而且它对设计的挑战也更小。和LBFD一样,S-512部件的形状对于减轻音爆影响也起了很大作用。


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