超声速客机正飞来

刘思静

协和号停飞20多年后，超声速客机重回公众视野。2020年7月，著名的初创公司博姆公司（Boom）宣布，公司正在研制的XB-1超声速客机整体式机翼和机身已经完成对接，并完成了机翼的加载试验。XB-1超声速飞机的载客人数为75人，按计划将于2021年开始试飞。

在此之前，另一家初创公司艾利安公司（Aerion）已经宣布，公司正在研制的AS2超声速公务机将在2024年首飞，2026年投入市场，而合作伙伴GE公司为其研制的“亲和力”（Affinity）发动机已经在今年2月完成了第一轮发动机燃烧试验，预计今年年底对其进行产品设计审查。可以说，诸如Boom和Aerion这样充满创新力的初创型公司已经成为超声速客机研制的重要推动力。

擅长借力的Aerion

Aerion公司正在研制的AS2超声速公务机是在研超声速客机项目中较为成熟的一款。经过多年的设计优化和不断验证，2020年Aerion公司确定了AS2项目的最终设计：采用全新的后掠三角翼来取代层流设计，飞机机身长44米，翼展为24米，具有较大的前缘襟翼和后缘襟翼，能够改善低速飞行性能，使发动机在低功率起飞阶段满足噪声规定。

虽然目前对AS2机体活动面尚未给出具体细节，但后缘襟翼被认为支撑着一组高速内侧襟副翼、中跨襟翼和外侧低速副翼，前缘襟翼内侧由固定部分组成，活动面几乎从发动机短舱延伸到翼尖。

对于一直以来困扰着超声速飞机的噪声问题，Aerion公司已明确表示，AS2超声速公务机的设计严格按照FAA提出的噪声认证法规，即在采用有效感觉噪声级的评判标准下，其横测噪声不超过96.5分贝，飞越噪声不超过94分贝，进场噪声不超过100.2分贝。

作为一家初创型公司，Aerion十分擅长与传统企业开展合作，而靠谱的传统制造商也为AS2超声速公务机的研制提供了强有力的技术支撑。AS2超声速公务机采用了GE公司最新的Affinity发动机作为动力装置。目前，这款发动机已经完成了初步设计审查，GE正在对测试过程中产生的基准噪声数据进行评估。这也是行业内第一次在一台发动机上完成这一类型的声学测试。

同时，为了实现绿色环保的目标，未来GE还计划在Affinity发动机上使用100%的可替代喷气燃料。如果这一计划最终得以实现，将大大降低超声速客机的使用成本。根据计划，AS2超声速公务机将在今年10月完成飞机级的初步设计审查。

“疯狂的”Boom

Boom公司研制的超声速客机的原型机代号为XB-1，绰号“婴儿潮”，寓意是希望其可以延续全球首款超声速飞机X-1的辉煌。

XB-1原型机尺寸是未来量产版Overture超声速客机的三分之一，外形设计上与协和号十分相似。XB-1原型机只有两个座位，其作用是用来验证全尺寸Overture超声速客机的各项技术，其中包括高效的空气动力学设计、先进复合材料和高效的推进系统等。

2016年，Boom公司公布了XB-1飞机的概念设计图：飞机全长为21米，翼展为5.2米，最大起飞质量为6100千克。飞机整体采用了流线型和高细度比（飞机长度与宽度之比）设计来减小阻力并提高飞行效率。机翼采用了三角翼设计，使飞机能够在较宽的速度包线内平衡飞行控制和稳定性。

XB-1具有独特的进气道设计，能够保证为发动机提供稳定的气流，该设计已经在超声速风洞中得到了验证。XB-1采用碳纤维、环氧树脂等轻质复合材料制成，每个组件都经过了单独设计以平衡强度、质量和稳定性。

目前，XB-1的设计制造已经接近尾声：驾驶舱完成了93%，已经通过了人体工程学测试，确保了驾驶杆和油门等必要的设备始终处于飞行员使用的理想位置;整体式机翼和机身已经完成对接，并完成了机翼的加载试验;发动机已经100%就绪，XB-1选用3台GE航空集团的J85发动机，其最大推力为54.7kN，已经通过性能测试;起落架正在生产中，刹车装置能够使飞机以343千米/小时的进近速度安全着陆;垂直尾翼已经安装了内部结构，正在为蒙皮收尾做准备。

目前，Boom公司正在计划进行XB-1的滑行测试和飞行测试，并将建造一个包括飞行测试控制室和XB-1模拟室的支持设施来进行飞行试验，目的是将XB-1的飞行包线安全地扩展至超声速。

Boom计划将客舱座位分为两列单座，保证每位乘客都能享受窗外的美景和充足的过道空间。为了尽可能减少飞行时间，飞机将在6万英尺的高空航行，届时每位乘客都可以透过舷窗一睹地球弧线。

如今，XB-1项目已经成为资本市场的宠儿。2019年，Boom公司就获得了一笔1亿美元的融资，助力其加速项目研发。此外，携程也成为Boom公司的战略合作伙伴，希望未来将这一划时代的超声速飞机引入中国商旅市场。

动力是关键

除了噪声、成本等常见问题，决定超声速客机项目成败的关键因素是飞机动力装置的选择。

2018年，在美国航空航天学会（AIAA）2018年度航空峰会上，波音出人意料地公开了一款高超声速民用飞机方案。波音表示，这款高超声速飞机的速度将达到5倍声速，这意味着这款飞机在伦敦飞往纽约的跨大西洋航线上只需要2个小时就可以抵达目的地。

波音还表示，经过长期的预研和论证，全尺寸涡轮基冲压组合发动机是高超声速飞机动力系统的最佳解决方案。但事实上，要开发一款全新的此类发动机绝非易事。尤其是在一场突发的新冠肺炎疫情之后，對于发动机制造商来说，短期内不可能花费大量的资金去研制一款全新的产品。因此，如何在发动机制造商已有产品中进行选择，并根据需要进行改进或在现有技术的基础上研制一款更具针对性的产品，成为了初创公司折中的选择。

对于超声速飞机发动机来说，较为适合的是涵道比为3～4的中等涵道比涡扇发动机。足够低的涵道比能够减少飞机起飞时的噪声，同时也不会引起太多的波阻，并保证足够高的燃油效率。对此，波音臭鼬工厂的飞行器设计与技术主任戴夫·理查森曾表示：“尽管如今新材料的发展已经能够让核心机的工作温度更高，但对于超声速飞机来说，这种循环参数并不是最理想的。相比之下，普惠公司的JT8D或GE公司的J79比如今新一代发动机更适合在超声速飞机上使用。”正因为如此，Boom公司为XB-1选择了J85发动机。

Aerion公司选择的Affinity是一款双轴的中等涵道比发动机，集成了一个类似于战斗机的两级风扇和CFM56/F101的核心机，有9级高压压气机、单级高压涡轮和2级低压涡轮。它在设计上的独特之处在于有一个低阻力的进气锥，带有可调后缘的固定进口导流叶片和两级宽弦整体叶盘风扇。发动机尾部有一个复杂的陶瓷基复合材料排气混合组件，类似的设计在GE公司的“通行证”（Passport）发动机中曾使用过。

此外，Affinity还使用了全权限数字式电子控制（FADEC）系统，被设计为既能在水面上空以Ma1.4进行超声速巡航，又能在陆地上空高效地亚声速飞行，而不用修改现有的适航章程。在合适的气候环境和复杂算法的控制下，AS2能以Ma1.2在陆地上空飞行而不产生声爆现象，并符合第五阶段关于飞机起飞和降落的噪声要求。

对此，GE公司表示：“Affinity既不是一臺涡喷发动机，也不是一台战斗机发动机，也不像曾经安装在协和号上的发动机。它是介于民用发动机和战斗机发动机两者之间的一款产品。”

但无论是像Boom公司那样选择一款已有产品还是像Aerion公司那样选择一款新研制的产品，这些发动机与飞机的匹配性究竟如何都还是一个未知数。对于超声速客机而言，发动机关系着飞机的噪声、成本等诸多决定项目成败的关键因素。从这个角度来看，发动机已经成为了超声速客机何时重回市场的关键。

适航的挑战

不过，尽管初创公司所描绘的超声速客机的未来令人怦然心动，但超声速客机要真正回归市场还面临着很多的困难和挑战。

首当其冲的困难是适航。解决不了这一问题，超声速客机的回归便无从谈起。声爆是飞行器在超声速飞行时产生的一种大气声学现象，当飞行器突破声障时，会产生巨大的能量，这些能量传到地面，会产生短暂而强烈的爆炸声。因此，声爆的强弱关系到客机能否被允许在陆地上空以超声速飞行，若噪声问题得不到解决，超声速客机就很难被大众所接受。

与此同时，相应的组织也在加快对超声速客机噪声标准的重新制定和相关适航工作的开展。2018年，FAA获得立法授权，主持制定超声速民用飞机的相关规则，其中包括指导建立噪声标准的术语规范。该授权要求FAA在5年内完成规章制定工作，为超声速民用飞机关键设计决策提供所需的规章依据。

NASA也将在2021年中期开展低声爆飞行演示验证，试验对象为洛克希德·马丁公司研发的X-59 QueSST超声速飞机。通过收集社区响应数据，NASA将建立一个可接受的超声速民用飞机噪声标准，以取代现行的禁止陆地上空进行超声速飞行的法规。

2023年至2025年，NASA将测试美国社区对飞机噪声的反应，测试数据将提供给国际民航组织（ICAO），并计划在2025年上半年完成噪声标准和巡航声爆限制规章的制定工作。

NASA在波音和洛克希德·马丁的支持下，于2019年开展了低声爆验证机飞行试验，以了解公众对低声爆的反应。NASA的低声爆验证机采用单发设计，模拟80～100座级飞机以Ma1.6～1.8的速度飞行时的激波特征。该验证机的声爆水平相比协和号低了一半。NASA希望通过设计更改，让低声爆验证机能够将原本巨大的声爆减弱为低峰值声爆。该试验获得的数据有望在今年提交FAA和国际民航组织。

此外，对于一款商用飞机来说，技术成功和市场成功两者是缺一不可的。未来，超声速飞机要避免重蹈协和号的覆辙，必须在提高经济性上做足功课。目前，无论是Aerion公司还是Boom公司，都在可持续发展上进行了探索。

Aerion公司正在和GE公司共同努力，希望未来Affinity发动机可以使用新一代清洁能源以替代传统的燃油，甚至未来可以实现全电动飞行;Boom公司则不仅计划使用低碳的航空燃料，更在地面和空中试验中都进行了100%碳中和测试。

可以说，在吸取了协和号的经验和教训之后，在新技术、新理念的推动下，充满创新活力的初创企业或许能给业界带来更多惊喜，让我们拭目以待。