超音速飞行又要开启新时代了吗?

36氪 36氪 神译局 2021-11-25 11:20:12

即便协和式飞机早已停飞退役,超音速飞机复兴的可能性却仍然很大。

编者按:超音速客机曾经高调问世,后来又黯然退市。几十年过后的今天,又有少数静音超音速飞机逐渐进入大众的视线。其中,加州帕姆代尔的洛克希德马丁臭鼬工厂建造的静音超音速飞机X-59 QueSST,有望于明年开展首次试飞。这篇文章来自编译,文中介绍了有望复兴的超音速航空业的发展现状及多方观点。

就超音速航空业而言,尽管该行业曾经做出承诺,称只需要两个小时便能从纽约飞到洛杉矶。但实际上,这个行业从未真正起步。

在很大程度上,这是因为物理学的原因所致。具体来说,主要原因在于音爆,即飞机冲破音障时产生的雷鸣般的噪音。这种巨大的噪音,基本注定了超音速航空无法成为一项可行的业务。

据报道,在20世纪60年代的测试中,音爆震碎了窗户、震裂了墙上的灰泥,并且还把摆在架子上的物件也震得摔了下来。

1973年,联邦航空管理局(FAA)禁止民用超音速飞机在陆地上空飞行,飞机只能在海洋上空超音速飞行。

当时,最著名的就是协和式飞机(Concorde),它是由法国宇航和英国飞机公司联合研制的一种中程超音速客机,客机机身线条流畅优美,在少数几条航线上,其飞行时间还不到普通客机平均飞行时长的一半。

但是,由于无法执飞潜在利润丰厚的陆上航线,超音速旅行的商业前景也十分受限。

不过,美国国家航空航天局(NASA)和航空企业家们正在努力改变这一现状。他们设计了一种新型飞机,能将那种巨大的噪音变成一种“安静的音爆”,其产生的噪音不会大于在20英尺(约6米)外用力摔上车门的响声。

这可能会促使联邦航空管理局解除禁令,从而使只需两小时便能横跨美国大陆的超音速飞行成为可能。

“NASA研究这一项目的主要原因,是为了监管超音速飞行,使其符合有关规定,”NASA低音爆飞行演示项目经理克雷格·尼科尔(Craig Nickol)表示,“主要目标是为了开拓新市场。”

1947年10月14日,查克·耶格尔(Chuck Yeager)驾驶火箭动力的贝尔X-1在飞越加州东南部莫哈韦沙漠冲破音障,由此开启了超音速时代。

在接下来的几十年里,一系列军用飞机、一架客机(1961年的一架道格拉斯DC-8),以及后来用于商业运营的苏联图波列夫图-144和协和式飞机等飞机都冲破了音障。后面两种用于商业运营的超音速客机都出现过空难,目前也早已停飞。

更为成功的协和式飞机主要运营于跨大西洋飞行航线,单程机票价格大多为6000到7000美元,在大约三个半小时的飞行时间中,乘客则必须拥挤地坐在嘈杂的机舱内。

尽管如此,它仍然吸引了许多乘客去体验这种飞行。经历了27年断断续续的盈利,以及一次导致113人死亡的空难事件过后,这些在航班上提供香槟和鱼子酱等餐食的超音速客机最终于2003年停飞。协和式飞机的首席飞行员所称的“未来的客机”也就成为了过去。

即使协和式飞机停飞退役,但超音速飞机复兴却仍然是有可能的。超级计算机的出现,直接淘汰了曾用来设计超音速飞机的计算尺和对数表,工程师也能够以相对成本较低的方式快捷地测试和调整虚拟飞机设计图。

这正是美国国防部下属行政机构美国国防高级研究计划局(DARPA)和NASA于2003年所做的“音爆优化设计实验”。该实验证实,通过计算机设计而针对诺斯罗普公司(Northrop)F-5E超音速轻型战斗机所做的修改,成功地按软件所预测的方式消除了音爆。

“我们成功展开了试飞和测试,这一模型很好地预测了音爆。”尼科尔说,“这也可以证明,我们可以按照所预测的方式来优化设计音爆。这在历史上也属首次。”这一证明也为后续研究奠定了基础。

优化音爆实际上非常复杂。声音在空气中的传播,就像往水中投入石子产生的水波一样,通过波的形式向外传播,这就是声波。

当飞机飞行速度接近音速时,在机头或突出部分,会出现一种像水中前进的快艇一样的激波。飞机所发出的疏密状的音波无法跑到飞机前方,所以全部叠加在机身尾部,形成圆锥形状的音锥。

当激波向外传播时便会互相干扰和影响,然后就会在机头形成一道前激波,机尾形成一道后激波。

当这两道激波触及任何空间和物体时,都会感到一种强烈的变化,反映到人的耳朵里,使耳鼓膜受到突然的空气压强变化,就感觉是两声雷鸣般的巨响。这种响声就是音爆。

美国国家航空航天局(NASA)声学工程师亚历山德拉·卢博(Alexandra Loubeau)称,“正是压力的变化才发出了巨响。”

NASA的研究,促成了静音超音速飞机X-59 QueSST的成形,这是一种机头似针尖状的飞机,整个机身长约100英尺(合约29米),其中机头长度为33英尺(合约9.7米)。

音爆产生的激波是无法完全避免的,但是通过最小化气压积聚的表面,并将它们分散到整个机身,就可以减少或优化音爆。

“你可以通过改装飞机的方式,来改变激波对地面影响的强弱。”尼科尔说,“我们正在做的是试图把激波散开,从而减弱冲击力。”

在试图重启超音速航行的道路上,NASA并没有孤军奋战。Boom Supersonic是一家总部位于科罗拉多州首府丹佛的超音速商用飞机研发公司。该公司首席执行官布莱克·肖尔(Blake Scholl)宣布了一个大胆的目标,即乘客只需要花100美元,就可以通过最多四小时的航程到达世界任何地方。

肖尔表示,尽管首先开通国内航线可以带来更多的乘客,这也将为公司业务带来比国际航线多出一到两倍的发展机会,但公司还是计划首先开通国际跨洋超音速航线,这样也不必担心音爆问题,同时也不需要等待有关政策规定的改变。

他补充道,仅仅制造更快的飞机并不能打造可持续发展的超音速业务;飞机还必须实现更快、更廉价、更环保的目标。他说,这项努力“必须实现100%碳中和。”

肖尔认为,通过使用更清洁的燃料和专为超音速飞行设计的新型发动机,可以有效实现提高飞行速度、节约成本和减少碳排放的目的。

这一做法与协和式飞机形成了鲜明对比,后者使用的是“超低效并且噪音极大的军用改装发动机,”肖尔说。

肖尔表示,在采用从20世纪70年代开始流行的现代材料、制造方法和效率的基础上,这些发动机可以让其公司的运营成本在使用协和式飞机发动机的基础上降低75%。

不过,他补充说,他的目标是降低95%的成本。即使如此,他估计推出航线后最初的票价也估计和商务舱票价相当。

“离只需100美元的机票还有很长的路要走。”他承认道。

为了抢占先机,已经有多家公司在接触跨国银行高管、首席执行官以及对冲基金经理,向他们推介私人超音速商务机业务。

不过,尽管湾流(Gulfstream)等老牌飞机制造公司和Spike Aerospace等可靠的新兴飞机制造商已经表明了自己的意图,但私人超音速飞机目前仍然没能飞上天空。

对此,主要障碍似乎是经济因素所致。飞机制造的时间和成本超出预期,实属正常,即使是私人飞机也不例外。

NASA有政府支持,尽管NASA没有与任何特定的威尼斯人网站及制造商展开合作,但这些公司或制造商却可以分享NASA的大部分研究成果,并从中受益。

然而,如果没有政府支持,像湾流和Boom Supersonic这类公司的日子可能就不好过了。

美国超音速公务机制造商Aerion Supersonic的经历,给我们敲响了警钟。这家由资深航空业人士组成的公司,由亿万富翁罗伯特·巴斯(Robert Bass)出资,与波音公司(Boeing)展开了合作,并声称获得了112亿美元的订单。

由于无法筹集足够的资金来维持运营,Aerion Supersonic于今年5月宣布关闭,目前正通过佛罗里达州一家法院进行清算。

佛罗里达州安柏瑞德航空大学(Embry-Riddle Aeronautical University)经济学教授比扬·瓦西(Bijan Vasigh)说:“尽管超音速旅行对于国际贸易来说大有裨益,但它作为一项业务的生存能力还存在太多未知因素。”

“每天会有50人愿意搭乘超音速商用客机飞往伦敦吗?我们了解这些乘客愿意付多少钱吗?”瓦西问道。

“我们已经做了最好的预测分析,但未来一切都可能改变,就连最出色的经济学家也无法确定答案。”他补充说。

研究航空业的经济学家、顾问亚当·皮拉尔斯基(Adam Pilarski)也认为,这些数字存在太多不确定性因素。尽管不是由大型飞机制造商来生产,但他仍希望看到超音速飞机投入制造和使用。

“这将让其他所有的飞机都显得过时。”皮拉尔斯基说。

他提到了在相关行业内标新立异的公司,比如埃隆·马斯克(Elon Musk)投资的特斯拉(Tesla)或太空探索技术公司Space-X。

“马斯克刚开始进入太空探索领域时,有谁愿意相信他?没有人!” 皮拉斯基问,“有些人肯定会想‘这需要花多少钱?’,但谁又在乎呢?”

尽管皮拉斯基预测超音速航空终将取得成功,但他不愿下任何赌注。

 “Boom Supersonic公司首席执行官布莱克·肖尔能成功吗?”他问道,“我不知道。不过,他人不错。但你要问我,我是否会在这个公司上投资,或者把子孙的教育基金投资于这个公司?答案则是不会。”

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