一家公司的喷气式客机将带领我们进入全新的超音速旅行时代。
文字 Clay Dillow
2003年10月的一个下午，一架“协和号”客机穿过布满云团的天空，降落在了伦敦希斯罗机? ?个半小时之前，这架飞机刚刚搭载着100名乘客从纽约的肯尼迪国际机场起飞。这次旅程是为了纪念一个时代的终结——自1976年 以来，这种超音速客机已经以超过1马赫即声音的速度，将数以千计的乘客运送到了世界各地。这天的飞行将是“协和号”客机的最后一次飞行。到太阳落山的时候，人类的超音速旅行时代即将暂时终结。实际上，直至今日超音速飞行也没有重启。
2000年，一架“协和号”飞机从法国戴高乐机场起飞不久后坠毁，造成了113人丧生。很多人都将“协和号”飞机的退役归咎于这次事故，但实际上导致它退役的最根本原因是，这种历史 上最成功的超音速喷气式客机并非那么完美。例如，由于会产生巨大的音爆，它只能在美国上空和欧洲的小部分天空以超音速飞行。而且，它那标志性的三角翼在低速状态也无法产生足够的升力，因此设计者不得不用4台体积巨大、油耗高得惊人的二次燃烧涡轮喷气发动机来弥补这一缺陷。
“‘协和号’堪称是工程上的杰作，”Aerion公司的CEO Doug Nichols说，“但是它也有显著的缺点。例如，如果这种巨大的飞机要运送100名旅客进行短距离飞行，需要大量燃料。从商业角度上讲，这太不经济了。”
“协和号”的失败给航空工业留下了巨大的心理创伤。尽管之后波音、达索、湾流等公司先后都设计过带有更安静发动机的超音速客机方案，但是这些设计从未真正成行。实际上，几乎所有公司都在等待美国航空管理局(FAA)和世界其他主要航空管理机构重新修改对音爆的管理条例。
但是，Aerion并没有像其他竞争对手那样“守株待兔”。这家公司积极地开发了一种超音速商用喷气式客机，并计划在2021年将其交付给客户。通过制造一种具备极高燃油效率的超音速客机，该公司已经远远走在了管理者和市场的前面。
去年春天，Aerion公司联合美国航空航天局，在爱德华兹空军基地对NLF机翼设计进行了试验。他们将一副带有传感器的机翼安装到了一架F-15战斗机上，让它以超过2.0马赫的速度飞行。
去年春天，Aerion公司联合美国航空航天局，在爱德华兹空军基地对NLF机翼设计进行了试验。他们将一副带有传感器的机翼安装到了一架F-15战斗机上，让它以超过2.0马赫的速度飞行。
无法忽视的音爆
超音速飞行所面临的困难可以追溯到最基本的空气动力学问题 ：空气是如何在飞机周围流动的。尤其是当飞机的速度接近音速时，对气流的控制就更加困难。流过机翼上下表面空气的流速差提供了飞机离开地面所需要的升力，与此同时，空气与机翼和机身之间的摩擦力也为飞行带来了阻力。随着飞行速度的增加，阻力也会越来越大。因此，飞机速度越快，推动飞机在空气中飞行就越困难，所消耗的燃料也就越多。
当飞机的速度超过音速时，第二个问题出现了：在机首和机尾积聚的压力波会产生强烈的音爆。与大多数人的理解不同，飞机并不仅仅是在突破音障时会产生音爆。实际上，在飞机以超音速飞行的过程中，始终会制造出压力波。尽管对个人来说，只有在飞机飞过头顶时才会听到一次音爆，但是从其影响范围来看，飞机航线两侧40千米范围内下方的人都能听到音爆的巨响。
今天，各个国家的航空管理局对民航客机产生的音爆的管理方法不同。联合国下属、负责制定世界航空标准的国际民航组织，目前禁止民航客机制造出在地面上能听到的音爆，但是并未从法律上禁止超音速飞行。FAA则干脆禁止民航客机以1马赫以上的速度飞行(私人太空飞行公司除外)。美国航空航天局和国际民航组织所进行的研究可能会导致一个可操作的标准出台，对超音速飞行所产生的噪音进行规范——究竟多大的音爆是可以接受的。但这一天还很遥远。
“协和号”回避了这个问题——它仅在对音爆没有要求的地方(通常是在海洋上空)以超音速飞行。但实际上，在大陆上方以非常高的速度和效率飞行在商业上也是可行的。此外，还有很多工程师在尝试降低音爆的强度——一旦FAA放宽了要求，这种方法也是可行的。美国航空航天局已经与诺斯罗普·格鲁门公司和美国国防部预研局一起，对一种名为“音爆修形验证器”的机身形状进行了试飞，这种设计能在一定程度上减小音爆。湾流公司则申请了一种飞机鼻锥的专利，它会在飞机进行超音速飞行时伸出，能够将大的冲击波分成若干小冲击波，从而减小音爆。
Aerion对上述这些方案并不感兴趣。他们认为，就算这些方案真的能将音爆降低，但仍然无法解决燃油效率问题，而后者才是商业上取得成功的关键。“任何将音爆降低的机身设计在飞行中所产生的阻力，都比高音爆机身设计大。”该公司的试验主管Jason Matisheck说。基于这种认识，这家公司采用了另外一种截然不同的设计思路：不去理会音爆，直接设计具有最高燃油效率的超音速客机。
更高的燃油效率
为了设计出一种超高效率的超音速客机，Aerion公司的工程师利用了一种过去在飞机设计中被认为是难以被利用的气流。在机身与空气之间，存在着一个被称为边界层的薄薄的气流。在这层气流没有受到扰动的时候，会平稳地环绕在机身周围，工程师们也称之为层流。在绝大多数飞机上，层流会很快变成紊流，进而产生阻力。换句话说，飞机的天然层流(NLF)保持得越好，飞行过程中的燃油效率就越高，尤其在高速飞行过程中更是如此。
上世纪70年代，工程师们开始更仔细地研究NLF。通过一系列试验，包括Aerion公司的首席技术官Richard Tracy、NextGen AeroSciences公司CEO Bruce J. Holmes、美国航空航天局的资深专家在内的工程师们发现，可以通过重新设计飞机部件来利用NLF。之后，波音、达索和空客等飞机制造商开始涉足这一领域，探索NLF的应用限制，并将研究结果应用于飞机概念和设计之中。但是，Aerion却是第一家在超音速客机设计中优先考虑利用这种气流来提高飞行效率的公司。
通过改变机翼的位置、机身和发动机舱的形状，该公司的工程师们将流过超音速公务机(SBJ)机身附近的NLF优化了约60%。这一变化大大提高了超音速飞行过程中的燃油效率。Holmes将其称为是Aerion公司的设计方案中最重要的创新——非后掠翼。其他超音速飞机的三角翼都是笔直地向尾部延伸，而SBJ的薄翼几乎与机身呈垂直状态。这种机翼设计比“协和号”的机翼拥有更好的燃油效率——“协和号”的机翼为超音速飞行进行了优化，但是在亚音速状态下，其油耗高得惊人。
通过计算机模拟和风洞模型试验，Aerion公司进一步优化了SBJ的设计。他们将一副SBJ的机翼安装到一架F-15战斗机上，在天空中测试了飞机的性能提升。所有这些努力将带来一种在两个速度阶段(超音速和略低于音速)都具有最佳燃油效率的飞机。
在大洋上空，SBJ将以1700千米/小时的速度飞行——从纽约到北京只要6个小时左右。但是由于SBJ依然会产生音爆，因此当它在美国大陆 上空的时候，会以0.98马赫(1120千米/小时)的速度飞行，在这段航线上的飞行时间只会比普通客机少1个小时(普通民航客机的巡航速度约为880千米/小时)。一旦离开大陆，它将立即恢复超音速飞行。
Aerion公司希望能在2021年左右将第一架SBJ交付给客户——届时国际民航组织很可能会放宽在欧洲大陆上空飞行时的音爆要求。到目前为止，已经有约50家客户表达了对SBJ的兴趣，并预缴纳了25万美元的订金。一旦SBJ开始在美国的空域飞行(以及在欧洲和其他地区以超音速飞行)，FAA很可能也会跟随国际民航组织的步伐，放宽对音爆的限制。
但是，无论是Nichols、Tracy，还是Aerion公司的其他成员，都没有寄希望于FAA管制的放宽上。无论有没有音爆，他们都打算让SBJ冲上云霄。
Aerion公司设计的超音速客机的机身将会采用复合材料和铝制造。9米长的机舱内可容纳12名乘客。
Aerion公司设计的超音速客机的机身将会采用复合材料和铝制造。9米长的机舱内可容纳12名乘客。
音爆听起来究竟是什么样？
我们请飞行专家来谈谈他们对超音速飞行最深刻的印象。
“想象一下就在你头顶发生的雷暴：带着炫目的闪电和轰隆隆的雷声，将雷声连起来——轰、轰——常规的音爆差不多就是这个样子。再想象一下在远方发生的低沉的雷声，低音爆飞机听起来差不多就是这样。”
——美国航空航天局郎利研究中心Peter Coen
“在我看来，那种感觉就像是两面大鼓在你耳边不停地敲响。在没有风的时候，声音简直震耳欲聋;而有风的时候，声音好像是被蒙了起来一样含糊不清。”——NextGen AeroSciences公司CEO Bruce Holmes
“典型的N波音爆听起来就像是没有后续轰隆声的炸雷。它会吸引你的注意力并吓你一跳，但是还没有近处突然出现的闪电那么吓人。”——Aerion公司Jason Matisheck
http://www.bannedbook.org/ Email订阅禁闻 来源： 科学 新时代杂志
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via 超越音爆：“协和号”后的超音速旅行时代
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