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组图:新一代超音速飞机研制内幕:形似航天飞机

2005-12-09 03:35 桌面版 正體 0
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今年10月,一直在航空界默默无闻的日本人在南澳大利亚人烟稀少的伍默拉试验场上空成功试飞了两倍于音速的新型无人机。超音速样机捆绑在火箭上,发射至数万米的高空,对新的机翼设计进行了测试,新一代超音速客机----“协和之子”极有可能从此起步。而其他一些公司也紧锣密鼓地推出了“超音速计划”。

  新一代超音速竞争惨烈

  当今世界,航空技术领域是欧美的天下,正因如此,身为科技大国的日本决心打一个翻身仗,于是瞄准了超音速客机。设计超音速样机的日本航天探测局(JAXA)希望,下一代超音速飞机在15年内投入商业运营。他们的目标是制造能搭载300名乘客的超音速客机,从伦敦到东京只需4个小时多一点。日本航天探测局的超音速样机是由日本航空宇宙工业会(SJAC)与法国航空工业协会联合开发的。在“协和式”飞机退出历史舞台两年后,许多国家都在加紧研制下一代超音速客机。

  日本航天探测局的主要竞争对手是一个称为超音速巡航工业联合体(SCIA)的企业联盟,成员包括波音、雷声、洛克希德·马丁及劳斯莱斯等在全球著名公司。该企业联盟希望劝说相关管理机构取消禁止超音速飞机在房屋上空飞行的法令。另外, “超音速航空国际”(SAI)、Aerion公司和美国湾流公司等一些小企业也加入这场竞争。

  “超音速航空国际”已与另一家公司秘密签约开发超音速飞机,而Aerion和湾流公司也在共同研制自己的超音速机型。不过,这些小公司都集中开发商务机,每架造价在8000万美元左右,客户群体是富有的名人和时间宝贵的高层管理。Aerion公司的里查德·特雷西说:“毫无疑问,超音速商务机将先于超音速客机出现。”他表示,Aerion公司将在6年内推出超音速商务机。


超音速客机大比拼

  克服“协和式”两大弊病

  许多新设计都是基于“协和式”客机开发的,只不过在此基础中进行了多种改进。然而,这些改进相当关键,因为早先问世的“协和式”客机存在两大弊病:一是噪音过大,二是燃料消耗多,无钱可赚。“协和式”飞机燃料消耗量高的惊人,每公里燃料消耗量几乎是大型喷气式客机的5倍。

  为了解决这个问题,日本航天探测局领导的研究小组提出了飞行速度适中的设计方案:其首架超音速飞机没有达到“协和式”飞机2.04马赫的速度。日本航空宇宙工业会的官员表示:“主要的障碍是噪音和燃料消耗。”该研究小组的目标是新一代超音速客机的飞行速度保持在1.6到1.8马赫,这样,发动机燃料消耗更有效,避免让飞机温度升到同“协和式”客机一样:当“协和式”客机速度达到2马赫时,机首温度会升至127摄氏度。同时,温度低还意味着新一代超音速飞机可以使用诸如环氧树脂和碳纤维增强塑料等更轻的材料,另一个优点是燃料消耗低。

  噪音是“协和式”飞机的另一大弊病。“协和式”飞机在起飞时会产生巨大的噪音,同时在穿过音障时也会产生感觉耳朵要被撕裂的音爆(也称声震)。国际民航组织禁止“协和式”客机从人口稠密地区上空经过,同时,由于“协和式”客机发动机在亚音速飞行时效率更低,飞机因此会耗费更多的燃料。结果,“协和式”客机只能局限于选择经过海上的航线,比如从伦敦到纽约,这严重限制了其市场。

  噪音是所有超音速飞机都要面临的问题。当起飞后,飞机会将前面的空气推向两侧,在空中产生压力波,这种现象就如同将一块石头扔进湖中时,湖面上产生波纹。一旦飞机速度超过音速,音波就会变成一道冲击波。飞机身后如海啸般的噪音痕迹就像是高速游艇经过海面留下的尾迹。


日本研制的新一代超音速飞机样品

  美国科学家提出解决方案

  1972 年,即“协和式”飞机定型后很长一段时间,美国康奈尔大学教授里查德·西巴斯和埃伯特·乔治提出了可显著降低飞机音爆的构想。在对音爆形成的理论分析后,他们提出了把音爆强度降低至最低水平的理论。该理论对那些试图降低音爆的飞机设计者的影响是深远的:飞机空气动力学所产生的升力必须均匀地分配到飞机机身。

  常规飞机一般都具有升力集中的区域,比如机翼下面,这会造成位于机身上这些点的气压发生突然变化。这种气压的集中是引起音爆的主要原因。将气压变化更均衡地分布在飞机机身上,会错开压力波变化的时间,从而降低音爆的强度。

  西巴斯和乔治理论一个违反直觉的结果是,如果想抑制音爆,飞机机首必须比纯粹的空气动力学原理建议的更钝。这是因为飞机机首产生稍大的气压有助于避免压力波延伸到与某个强度冲击波相形成一体的飞机机身。不幸的是,该理论要求开发一种现代电脑辅助设计软件,以便设计出遵循这一理论的飞机。因此,虽然这种理论在航空界相当著名,但除了学术杂志上偶尔报道外,从来没有应用于实践。

  但在2000年,美国国防部高级研究计划署(DARPA)重新研究了这一理论,与飞机制造公司诺斯罗普·格鲁曼公司合作,在一种称为超音爆展示器(SSBD)的改进型F-5E战机上测试了音爆降低设计。他们将飞机机首设计成鹈鹕的喙状,在测试中,将音爆冲击波产生的气压降低了30%。这种测试活动最初由国防部高级研究计划署资助,后来美宇航局接过了“接力棒”。受测试结果的鼓舞,宇航局还计划资助诺斯罗普·格鲁曼公司、波音和雷声等公司不同的研究小组,制造一架30米长供展示的飞机,但在数个月前的预算讨论中,资助资金不知何故大为削减,该计划被迫中止。

  科学家表示,减少音爆的途径不仅仅只有一种。西巴斯和乔治发现,在不增加重量的情况下,延长飞机机身能降低音爆的强度,甚至可能将噪音压制到听不到音爆的程度。湾流公司正在通过使用从机首延伸到机尾的长钉,测试超音速飞行期间暂时延长飞机机身的可能性。湾流公司的普雷斯顿·赫尼表示,该公司仅仅计划制造小型喷气式飞机,不过设计原理也可以应用于制造大型飞机身上。他认为,先制造小型飞机将为制造大型飞机提供宝贵经验。

美国国家航空航天局研制的X-43A超音速实验飞机(下)脱离载它上天的B-52B重型轰炸机。这架实验飞机成功完成了速度约为10倍音速(约每小时11260公里)的试验飞行。这一速度创下了新的世界纪录。

  研制比卡车还安静的超音速

  洛克希德·马丁公司“臭鼬工厂”安静超音速运输机(QSST)项目主管汤姆·哈特曼赞同赫尼的见解。他说:“一旦解决了商务机的音爆问题,我们就可以将技术应用到大型飞机上,从而扩展超音速客机的市场。这是我们最终目标。”不过哈特曼认为湾流公司的展开式长钉设计是条“死胡同”。他说:“长钉设计是否真正奏效尚存在巨大疑问。”目前还不清楚展开式长钉设计在实践中的益处。哈特曼说,既然非得到要把飞机的机首和机尾用长钉连结起来,那为何不从一开始就设计成固定长度的飞机?

  在过去4年,哈特曼及其研究小组在从事一个秘密项目,试图设计一种低音爆的超音速商务机。他们开发了一套电脑程序,帮助他们创造出独特的飞机设计,这种设计既要符合西巴斯和乔治有关减少音爆噪音的理论,同时又能保持飞机空气动力学性能,并通过模仿新设计的平衡性和不同飞机材料的表现,充分考虑到设计缺陷。哈特曼研究小组在一片纸上画上类似卡通的机翼设计,然后考虑到机身和发动机对设计进行修改,最后将每一种设计输入电脑程序,检查它们是否能产生预想到的结果。

  哈特曼研究小组的设计人员约翰·莫戈斯特恩说:“我们有时会对一项设计进行数百次修改,结果发现不能用,接着再从零开始。”在电脑中测试了数百种设计后,哈特曼的研究小组最终找到了一种符合空气动力学、低音爆和机舱空间等各项要求的飞机外形,制造了两米长的成比例模型,并在风洞进行测试。结果,他们开发出了安静超音速运输机,这种超音速飞机通过重新将产生升力的区域更均衡地分布于飞机的整个机身上,降低了音爆。

  哈特曼估计,这一设计会将音爆噪音降低至62分贝。他说:“这样一来,飞机的噪音就能低于卡车噪音。”但哈特曼承认,安静超音速运输机对下方建筑造成的震动仍可能是个问题。他说:“你可能听不到噪音,但空中飞过的飞机所产生的冲击波会震动墙上的东西,这样一来,它们仍会发生剧烈震动。我们现在正准备制造在三年内投入使用的样机。”今年早些时候,“超音速航空国际”(SAI)透露,该公司是洛克希德·马丁公司的秘密客户,并称他们有望在2012年前推出安静超音速运输机的样机。该公司现正在挑选飞机制造公司。

  超音速客机前景广阔

  一旦飞机飞离地面,那么音爆就是唯一真正需要处理的问题。日本航天探测局(JAXA)的研究小组已确定优先考虑的事情,即通过使用更安静、效率更高的发动机,降低飞机起飞时的噪音。据超音速运输机推进系统工程研究协会的一位工程师表示,该组织开发的一项设计就能将“协和式”飞机起飞所产生的110分贝噪音减少至92分贝。

  部分小型飞机生产公司正集中于改善飞机在亚音速时的燃料利用效率。Aerion公司的设计包括一个新颖的机翼设计方案,该设计在飞行速度较低时能产生更多的升力,同时又不会危及飞机在超音速飞行时的空气空力学安全,这意味着这种飞机在亚音速飞行时效率超过“协和式”飞机,不过一旦上升至超音速时,燃料消耗就会受到影响。

  赫尼认为这是个错误的观点:“如果你不能解决音爆问题,那么这就严格限制了市场。” 湾流公司只有25%的航班经海上飞行。对于Aerion公司而言,这将意味着其大部分旅程都必须保持在亚音速飞行。飞机不但没有了速度上的优势,而且还意味着燃料利用效率不高。他说:“我们现在能比协和式飞机时期做得更好。”

  在工程师全力应对设计挑战之际,另一场战争也在幕后展开。按照国际民航管理部门的规定,在人口稠密地区上空进行超音速飞行是被禁止的。因此包括湾流公司和超音速巡航工业联合体(SCIA)成员在内的公司正游说国际民航组织修改这一规定。按照惯例,国际民航组织每隔三年对其航空管理规定进行一次审查,下一次将在2007年展开。美国宇航局德莱顿飞行研究中心的鲍勃·麦耶表示,在经费削减之前,超音速巡航工业联合体的计划是拥有音爆降低的超音速飞机,全力准备2010年的审查。如今看来,他们可能要失望了。

  哈特曼希望管理部门放宽对飞机在人口稠密地区上空进行超音速飞行的限制,不过由于检验新规定需要大笔费用,他认为国际民航管理部门可能会反对这一提议。哈特曼说:“他们现在还没有那笔资金。”不过游说者并不会就此罢休。他们希望空管员允许超音速飞机在飞经地面时“插队”。他们强调说,强迫超音速飞机在靠近目的地时减缓速度,围着机场上空转,这样一来,飞机不但燃料利用效率非常低,而且还污染环境。

  无论将来发生什么事情,超音速飞行将会有广阔的市场。维珍集团的老板理查德·布兰森在“协和式”飞机退役前曾渴望购买几架,他说:“我们希望维珍航空公司的航班能以超音速遨游天空,我们一直满怀兴趣地静观事情的最新进展。”

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