[科普中國(guó)]-超音速客機(jī)

超音速客機(jī)（Supersonic Transport, SST）是指其速度比音速快的民航客機(jī)，歷史至今僅有兩種超音速客機(jī)曾經(jīng)批量生產(chǎn)并投入商業(yè)營(yíng)運(yùn)，分別為英國(guó)、法國(guó)聯(lián)合研制的協(xié)和飛機(jī)，以及蘇聯(lián)的圖-144，均在1960年代末出現(xiàn)。但超音速客機(jī)自問(wèn)世以來(lái)一直備受成本效益、環(huán)境破壞等因素困擾，并未有大規(guī)模推廣使用。

發(fā)展歷史背景1950年代起，隨著亞音速噴氣式客機(jī)的普及，波音707、道格拉斯DC-8、快帆（Caravelle）等噴氣式客機(jī)趨于成熟，以及第一種實(shí)用化的超音速軍用飛機(jī)——F100“超佩刀”戰(zhàn)斗機(jī)的出現(xiàn)，民航界就不斷追求飛行速度的提升，超音速客機(jī)在當(dāng)時(shí)被普遍視為未來(lái)的發(fā)展路向，對(duì)超音速客機(jī)的市場(chǎng)前景也十分樂(lè)觀。從當(dāng)時(shí)的航空技術(shù)角度來(lái)看，超音速客機(jī)的構(gòu)想是可以實(shí)現(xiàn)的，另一方面社會(huì)大眾及航空公司對(duì)超音速客機(jī)普遍抱有正面的態(tài)度。有一點(diǎn)是各方都有共識(shí)的，就是超音速客機(jī)相當(dāng)適合中長(zhǎng)程的航線，如果飛機(jī)能比現(xiàn)有的亞音速客機(jī)速度提高兩倍以上，將大大縮短長(zhǎng)途飛行的時(shí)間，提高速度所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益將大于燃油消耗的增加。理論上，相比普通亞音速客機(jī)，飛行速度高三倍的超音速客機(jī)，可以在相同時(shí)間內(nèi)在同一條航線上運(yùn)送同等數(shù)量或者更多的旅客，從而取代三架亞音速客機(jī)或騰出用于其他航線，并在人力和維護(hù)方面減低成本，因此以時(shí)間換取效益就是超音速客機(jī)的經(jīng)濟(jì)動(dòng)力。

早期研究歐洲

超音速客機(jī)的實(shí)際研究工作始于1950年代中期，當(dāng)時(shí)第一代超音速戰(zhàn)斗機(jī)正開(kāi)始服役，航空技術(shù)對(duì)于超音速飛行有了更多的認(rèn)識(shí)。在歐洲，英國(guó)和法國(guó)政府均以補(bǔ)貼的形式支持國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造商研究超音速客機(jī)的方案。1956年，英國(guó)政府成立了超音速運(yùn)輸飛機(jī)委員會(huì)（Supersonic Transport Aircraft Committee，STAC），聯(lián)合了英國(guó)皇家飛機(jī)研究院（Royal Aircraft Establishment，RAE）和布里斯托爾飛機(jī)公司（Bristol Aeroplane Company）進(jìn)行研究，開(kāi)始探討開(kāi)發(fā)超音速客機(jī)的可行性，研究集中在超音速客機(jī)的技術(shù)問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。1959年，委員會(huì)得出了初步結(jié)論，認(rèn)為超音速客機(jī)在技術(shù)上是可行的，超音速客機(jī)只有在相當(dāng)?shù)妮d客量的遠(yuǎn)程航線上運(yùn)營(yíng)才比較經(jīng)濟(jì)，航程以歐洲西海岸到美國(guó)東海岸為基準(zhǔn)航線時(shí)，速度以2.2倍音速為宜。如果速度更低將難以保證在倫敦和紐約之間當(dāng)天來(lái)回，大大減低超音速旅行的吸引力。速度更高將超過(guò)鋁合金的耐熱能力，需要采用不銹鋼或鈦，在技術(shù)上未知數(shù)太多。

當(dāng)時(shí)英國(guó)的布里斯托爾飛機(jī)公司并根據(jù)委員會(huì)的建議，提出了布里斯托爾198（Bristol 198）計(jì)劃，裝備6具渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、可載130名乘客并以超音速進(jìn)行跨大西洋飛行。但由于這種設(shè)計(jì)理論重量過(guò)高，而且裝備6具發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性備受質(zhì)疑，隨后布里斯托爾飛機(jī)公司又推出了布里斯托爾198的縮小版本——布里斯托爾223（Bristol 223），設(shè)計(jì)是一種采用三角翼、裝備4具發(fā)動(dòng)機(jī)、巡航速度為2馬赫、可載客約100人并能夠進(jìn)行跨大西洋飛行的超音速客機(jī)。阿姆斯特朗-惠特沃斯飛機(jī)公司（Armstrong Whitworth Aircraft）更提出了一個(gè)更為激進(jìn)的方案，這個(gè)方案采用M形機(jī)翼（M-wing），機(jī)翼從翼根開(kāi)始前掠，到一半翼展以外改為后掠，并采用了按跨音速面積率的蜂腰設(shè)計(jì)。這種構(gòu)型雖然前衛(wèi)，但設(shè)計(jì)最高速度只有1.2馬赫，最終不了了之。而此前加拿大阿弗洛公司（Avro Canada）也曾經(jīng)幾種超音速客機(jī)的設(shè)計(jì)方案予環(huán)球航空選擇，其中包括了設(shè)計(jì)速度1.6馬赫的S型前緣機(jī)翼方案，以及設(shè)計(jì)速度為1.2馬赫、帶有水平尾翼的三角翼方案，隨后加拿大阿弗洛公司的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和方案轉(zhuǎn)往英國(guó)，并成為霍克·西德利公司的設(shè)計(jì)，但最后委員會(huì)選擇了布里斯托爾的方案，霍克·西德利的超音速客機(jī)也就沒(méi)有了下文。法國(guó)方面，以戴高樂(lè)總統(tǒng)為首的法國(guó)政府也大力支持法國(guó)的國(guó)營(yíng)飛機(jī)制造廠研制超音速客機(jī)。法國(guó)南方飛機(jī)公司（Sud Aviation）和達(dá)索公司聯(lián)合進(jìn)行研究，提出了超級(jí)快帆（Super-Caravelle）的設(shè)計(jì)方案?！俺?jí)快帆”與布里斯托爾223十分相似，也是一種采用三角翼、巡航速度為2.2馬赫、可載客約70人的中程超音速客機(jī)。

至1960年代初，英法兩國(guó)開(kāi)始就超音速客機(jī)計(jì)劃達(dá)成共識(shí)并開(kāi)展合作，主要是因?yàn)閮蓢?guó)的設(shè)計(jì)方案十分接近，在速度、航程、氣動(dòng)布局等方面均有極大的相似性，合作研制有助于平均負(fù)擔(dān)費(fèi)用。另一方面，當(dāng)時(shí)波音707、道格拉斯DC-8迅速占據(jù)歐洲民航客機(jī)市場(chǎng)的大量份額，法國(guó)總統(tǒng)戴高樂(lè)不愿意看見(jiàn)歐洲市場(chǎng)被美國(guó)飛機(jī)制造商壟斷，因此也鼓勵(lì)兩國(guó)合作，加快研發(fā)進(jìn)度，爭(zhēng)取在美國(guó)的超音速客機(jī)出現(xiàn)之前搶占市場(chǎng)。在法國(guó)總統(tǒng)戴高樂(lè)和英國(guó)首相麥克米倫提議下，合作計(jì)劃草案于1962年11月28日正式簽訂，最終成就了協(xié)和飛機(jī)（Concorde）的出現(xiàn)。

蘇聯(lián)

蘇聯(lián)的超音速客機(jī)研制計(jì)劃在1960年代初開(kāi)始，1963年經(jīng)赫魯曉夫和蘇聯(lián)部長(zhǎng)會(huì)議批準(zhǔn)后正式立項(xiàng)，由圖波列夫設(shè)計(jì)局負(fù)責(zé)，定型為圖-144，起步較協(xié)和飛機(jī)晚了兩年。圖-144在1968年12月首飛，比協(xié)和飛機(jī)早了兩個(gè)月。1969年6月首次達(dá)到超音速，成為世界上第一種超音速客機(jī)。而協(xié)和飛機(jī)在1969年3月首飛，同年10月進(jìn)行首次超音速飛行。

美國(guó)

作為一個(gè)超級(jí)大國(guó)，美國(guó)已經(jīng)在1950年代的噴氣式客機(jī)的市場(chǎng)上先奪頭籌，對(duì)超音速客機(jī)也是雄心勃勃，波音公司也早在1952年起開(kāi)始對(duì)超音速客機(jī)展開(kāi)研究工作。來(lái)自歐洲、蘇聯(lián)的挑戰(zhàn)也令美國(guó)政府不敢怠慢，美國(guó)國(guó)家航空航天局也在1962年啟動(dòng)了“超音速航空運(yùn)輸”（Supersonic Commercial Air Transport，SCAT）計(jì)劃，自行研究超音速客機(jī)。1963年6月5日，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪正式成立“國(guó)家超音速客機(jī)計(jì)劃”（National Supersonic Transport，NST），并承諾美國(guó)政府將資助超音速客機(jī)研制經(jīng)費(fèi)的75%，意圖研制出比協(xié)和飛機(jī)、圖-144更先進(jìn)、載客量更大、速度更快、航程更遠(yuǎn)的超音速客機(jī)。設(shè)計(jì)請(qǐng)求相繼發(fā)往美國(guó)各主要飛機(jī)制造商，競(jìng)爭(zhēng)廠商包括波音、洛歇、北美航空，從而出現(xiàn)波音2707和洛歇L-2000這兩個(gè)最著名的設(shè)計(jì)方案，1966年美國(guó)聯(lián)邦航空局選定了波音2707作進(jìn)一步的發(fā)展。

挑戰(zhàn)

1960年代是一個(gè)動(dòng)蕩、嬉皮士的年代，環(huán)境保護(hù)的意識(shí)正同時(shí)在美國(guó)和歐洲在抬頭，公眾反對(duì)超音速飛機(jī)造成音爆、破壞臭氧層的抗議越來(lái)越激烈。一名反對(duì)超音速客機(jī)的美國(guó)物理學(xué)家，威廉姆?舒克利夫（William Asahel Shurcliff），編寫和發(fā)布了一本名為《超音速客機(jī)與音爆手冊(cè)》（SST and Sonic Boom Handbook）的書籍之后，聲稱超音速客機(jī)每一次飛行都會(huì)造成一個(gè)長(zhǎng)2000英里、寬50英里的音爆區(qū)（bang-zone）。1971年，盡管超音速客機(jī)計(jì)劃受到美國(guó)總統(tǒng)尼克松支持，但美國(guó)參議院、美國(guó)國(guó)會(huì)均否決了進(jìn)一步撥款，取消了波音2707的研發(fā)，與此同時(shí)也打擊了協(xié)和飛機(jī)。最初以“跨大西洋超音速運(yùn)輸飛機(jī)”為目標(biāo)而研制的協(xié)和飛機(jī)，被美國(guó)國(guó)會(huì)決議禁止在美國(guó)著陸。1976年，美國(guó)的態(tài)度才開(kāi)始軟化，開(kāi)通了倫敦、巴黎—華盛頓的定期航班。1977年10月，紐約的禁令才正式解除，同年11月正式開(kāi)通了倫敦、巴黎—紐約的定期航班。

先進(jìn)超音速客機(jī)（AST）1970年代中后期，當(dāng)航空技術(shù)日益進(jìn)步，超音速飛行對(duì)環(huán)境影響的指控被證明是夸大其詞，第二代超音速客機(jī)的研發(fā)開(kāi)始浮出水面。雖然1970年代初的環(huán)境并不利于超音速客機(jī)，但美國(guó)的研究實(shí)際上仍然一直進(jìn)行。三家主要的飛機(jī)制造商，包括波音、道格拉斯、洛歇，均一直接受政府的資助。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1970年代美國(guó)國(guó)家航空航天局已經(jīng)花費(fèi)了超過(guò)900萬(wàn)美元投入研究，其中過(guò)半用于資助上述三家公司。美國(guó)的第二代超音速客機(jī)以“先進(jìn)超音速客機(jī)”（Advanced Supersonic Transport，AST）為名，三家公司都提出了自己的方案。波音、洛歇分別以波音2707、洛歇L-2000為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，道格拉斯則推出DC-AST方案，而三個(gè)方案均大同小異，但尺寸比第一代要大得多，目標(biāo)載客300人以上，而且速度更高，DC-AST設(shè)計(jì)速度為2.2馬赫，而洛歇、波音的設(shè)計(jì)更分別追求2.55馬赫和2.7馬赫，更大范圍的使用鈦合金。第二代超音速客機(jī)并以減輕噪音、提高燃油效率為目標(biāo)，設(shè)想使用通用電氣的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（Variable-cycle engine，VCE）。與此同時(shí)，蘇聯(lián)的圖波列夫設(shè)計(jì)局也推出圖-244的構(gòu)想，目標(biāo)載客250至320人，巡航速度2.2馬赫，最大航程達(dá)9200公里，但沒(méi)有太多實(shí)際進(jìn)展。

然而時(shí)移世易，此時(shí)超音速客機(jī)在經(jīng)濟(jì)性方面已經(jīng)難以和普通高亞音速客機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)超音速客機(jī)在1960年代出現(xiàn)的時(shí)候，主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是以波音707為代表、載客100至200人的遠(yuǎn)程亞音速客機(jī)，以速度和載客量來(lái)衡量，超音速客機(jī)仍然有一定優(yōu)勢(shì)。但隨著以波音747為代表、載客300至400人的新一代亞音速寬體客機(jī)在1970年代起迅速普及，若從人均飛行成本的角度超音速客機(jī)已經(jīng)完全不具備優(yōu)勢(shì)。另一方面，在現(xiàn)有的技術(shù)上超音速客機(jī)在航程仍然難以和亞音速客機(jī)匹敵，隨著渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)自1960年代以來(lái)的廣泛運(yùn)用和日益提升的涵道比，其燃油效益已非此前的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所相比。因此，要實(shí)現(xiàn)超音速飛行無(wú)可避免要在經(jīng)濟(jì)性上打折扣，成本效益更好的寬體亞音速客機(jī)更能獲得航空公司的青睞，最終“先進(jìn)超音速客機(jī)”的計(jì)劃也在1980年代中取消。

高速民用運(yùn)輸機(jī)計(jì)劃（HSCT）美國(guó)國(guó)家航空航天局于1990年啟動(dòng)了“高速民用運(yùn)輸機(jī)”計(jì)劃（High Speed Civil Transport，HSCT），以改進(jìn)超音速客機(jī)設(shè)計(jì)為目標(biāo)。美國(guó)國(guó)家航空航天局]聯(lián)合了波音和麥道，花費(fèi)了超過(guò)九年時(shí)間，投放了過(guò)10億美元。設(shè)計(jì)指標(biāo)為載客250至300人、2倍音速，務(wù)求令超音速客機(jī)的機(jī)票價(jià)格不會(huì)高于普通航班超過(guò)20%。俄羅斯在1990年代中期為一架圖-144重新裝上新發(fā)動(dòng)機(jī)，為HSCT計(jì)劃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以收集數(shù)據(jù)。

但經(jīng)濟(jì)性仍然是航空公司最大的考慮因素，HSCT的推廣欠缺市場(chǎng)反應(yīng)。1990年代末，已經(jīng)收購(gòu)了麥道的波音公司開(kāi)始考慮是否繼續(xù)投資在這項(xiàng)計(jì)劃，后來(lái)表示將暫緩這個(gè)計(jì)劃，或許會(huì)到適當(dāng)時(shí)候，或2020年再啟動(dòng)。隨著波音的退出，美國(guó)國(guó)家航空航天局在1999年2月取消了HSCT，轉(zhuǎn)而為國(guó)際空間站增加6億美元資金。

歐洲超音速研究計(jì)劃（ESRP）1994年4月，法國(guó)宇航、英國(guó)宇航及德國(guó)戴姆勒克萊斯勒宇航（DaimlerChrysler Aerospace）成立了“歐洲超音速研究計(jì)劃”（European Supersonic Research Program ，ESRP），研發(fā)第二代的協(xié)和飛機(jī)，并計(jì)劃于2010年投入服務(wù)，飛機(jī)被稱為“未來(lái)超音速客機(jī)”（法語(yǔ)：Avion de Transport Supersonique Futur）。同時(shí)，斯奈克瑪公司、羅爾斯·羅伊斯、MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司（MTU Aero Engines）及菲亞特集團(tuán)于1991年開(kāi)放合作共同為新一代超音速客機(jī)開(kāi)發(fā)配套的發(fā)動(dòng)機(jī)。計(jì)劃投資額限定不超過(guò)每年1200萬(wàn)美元，主要是由幾家公司共同投資，研究?jī)?nèi)容包括材料、空氣動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)集成以作為參考配置。ESRP的計(jì)劃是一種巡航速度為2馬赫、載客250人、航程10,186公里（5500海里）的超音速客機(jī)，從外觀上類似一架帶有前鴨翼、加大版的協(xié)和飛機(jī)。ESRP已經(jīng)已經(jīng)完成初步設(shè)計(jì)，并利用小比例模型進(jìn)行過(guò)風(fēng)洞測(cè)試。

零排放超音速客機(jī)（ZEHST）在1990年代初，日本政府就把開(kāi)發(fā)第二代超音速客機(jī)設(shè)定為重要的技術(shù)戰(zhàn)略之一。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）發(fā)起的“次世代超音速客機(jī)”（National Experimental Airplane for Next Generation Supersonic Transport，NEXST）開(kāi)發(fā)計(jì)劃于2002年正式啟動(dòng)，致力于研制新一代的超音速客機(jī)，設(shè)計(jì)指標(biāo)為載客300人、速度2馬赫、比協(xié)和飛機(jī)節(jié)約75%燃料并多兩倍的航程，期望能于2015年進(jìn)行首飛。該計(jì)劃曾在2002年時(shí)發(fā)生過(guò)測(cè)試意外——2002年7月14日，日本團(tuán)隊(duì)在澳大利亞南部的武麥拉測(cè)試場(chǎng)（Woomera Test Range）以一具1/10（約11.5米長(zhǎng)）的縮比模型進(jìn)行首次的試射，但以火箭籌載的測(cè)試模型在發(fā)射升空后不久就失控墜毀。事后日本團(tuán)隊(duì)不愿針對(duì)失敗原因發(fā)表評(píng)論，但長(zhǎng)達(dá)半年的準(zhǔn)備工作卻付之一炬。

2005年6月，法國(guó)和日本在巴黎航空博覽會(huì)上正式簽署合作協(xié)議，將NEXST項(xiàng)目擴(kuò)展至兩國(guó)合作，由兩國(guó)的合資公司共同研制。2005年10月10日，JAXA在澳大利亞西部荒漠伍默拉試驗(yàn)場(chǎng)再次試飛超音速客機(jī)的1：10模型，并取得成功。原型機(jī)由日本三菱重工業(yè)公司研制，全長(zhǎng)11.5米，僅重2噸。

經(jīng)過(guò)5年聯(lián)合研制，代表法國(guó)參與研制項(xiàng)目的歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）于2011年的巴黎航空展中，宣布推出“零排放超音速客機(jī)”（Zero Emission Hypersonic Transportation，ZEHST）的概念機(jī)，這種新型客機(jī)長(zhǎng)約80米，翼展在35米至40米之間，最高巡航速度達(dá)4馬赫（約5000公里/小時(shí)）。飛機(jī)采用四種發(fā)動(dòng)機(jī)，分別為兩臺(tái)使用生物燃料的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、兩臺(tái)使用液態(tài)氫氧燃料的助推火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、一臺(tái)低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和兩臺(tái)使用液態(tài)氫的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。在不同飛行階段，ZHEST使用不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)。起飛階段由渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將飛機(jī)推升到距地面5公里的空中，飛行速度達(dá)到0.8馬赫；然后切換至火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，將飛機(jī)推送到距地面20公里的高空，飛行速度達(dá)到2.5馬赫；最后切換成沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，加速至4馬赫，飛機(jī)升至距地面32公里的高空進(jìn)行超高音速巡航。這種飛機(jī)可以搭乘50至100名旅客，從巴黎飛東京只需2.5小時(shí)。ZHEST預(yù)計(jì)在2020年開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試飛行，并期望能在2050年投入使用。

超音速公務(wù)噴氣機(jī)（SSBJ）另一個(gè)備受關(guān)注的研究領(lǐng)域是超音速公務(wù)噴氣機(jī)（Supersonic business jet，SSBJ）。音爆的強(qiáng)度除了和飛機(jī)的速度有關(guān)，也和飛機(jī)的大小成正比，所以小型噴氣機(jī)的噪音問(wèn)題相對(duì)大型民航機(jī)輕微得多。另一方面，能擁有公務(wù)噴氣機(jī)不外乎是企業(yè)高管和政府機(jī)構(gòu)，正如協(xié)和飛機(jī)的座上客，這些乘客通常十分愿意付出更多金錢來(lái)?yè)Q取減少飛行時(shí)間。

俄羅斯著名戰(zhàn)斗機(jī)制造商蘇霍伊與美國(guó)公務(wù)噴氣機(jī)制造商灣流宇航在1990年代中期曾共同研究，達(dá)梭航天于2000年代初進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，但至今仍然未有機(jī)型投產(chǎn)。目前最新的SSBJ計(jì)劃包括美國(guó)Aerion公司的Aerion SBJ、超音速宇航國(guó)際和洛歇馬丁合作的靜音超音速運(yùn)輸機(jī)（SAI Quiet Supersonic Transport），及圖波列夫設(shè)計(jì)局的圖-444。

云霄塔太空飛機(jī)（Skylon）英國(guó)Reaction Engines公司在在英國(guó)航天局的協(xié)助下，正在研發(fā)一種名為“云霄塔”（Skylon）的太空飛機(jī)，最高速度5馬赫（約6125公里/小時(shí)）、可容納40 名乘客、使用無(wú)碳燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)從大氣中吸收氧氣和氫氣作燃料，并以單級(jí)入軌方式進(jìn)入近地軌道。如果這種飛機(jī)研制成功，將大大縮短長(zhǎng)途航空的旅行時(shí)間，從歐洲布魯塞爾前往悉尼只需4.6小時(shí)。

Overture于2014年成立的美國(guó)Boom Supersonic研發(fā)名為Overture的超音速客機(jī)，并計(jì)劃于2019年推出1:3比例原型機(jī)XB-1，Boom設(shè)想Overture能以2.2馬赫（2715公里/小時(shí)）的速度飛行，比協(xié)和式飛機(jī)快10%左右，機(jī)艙可容納55名乘客，全商務(wù)艙設(shè)計(jì)。

技術(shù)挑戰(zhàn)空氣動(dòng)力學(xué)氣流作用為飛機(jī)提供升力的同時(shí)也帶來(lái)阻力，當(dāng)飛機(jī)以音速以下的速度飛行時(shí)，飛行阻力會(huì)和阻力系數(shù)、空速的二次方和空氣密度成正比。超音速飛機(jī)的阻力除了包含了亞音速飛機(jī)同樣遇到的摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力、干擾阻力外，還有一項(xiàng)特別的激波阻力。當(dāng)物體以音速或超音速運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣的性質(zhì)會(huì)改變。飛機(jī)飛行時(shí)會(huì)對(duì)前方空氣產(chǎn)生壓縮，形成的壓力波（擾動(dòng)波）以音速傳播。在0.8馬赫之1.2馬赫之間的跨音速階段，如果壓力波的傳播速度等于或小于飛機(jī)前進(jìn)速度，導(dǎo)致后續(xù)時(shí)間的壓力就會(huì)和已有的壓力波疊加在一起，空氣遭到強(qiáng)烈的壓縮，阻力系數(shù)峰值會(huì)比0.8馬赫以下時(shí)大四倍，從而形成了激波和音障。在超過(guò)1.2馬赫之后，阻力系數(shù)反而逐步下降，和速度成反比，大約只比亞音速階段高30%至50%。

因此，超音速飛機(jī)設(shè)計(jì)的首要考慮因素是降低飛機(jī)自身的阻力系數(shù)，將飛機(jī)盡量設(shè)計(jì)成流線型，機(jī)頭設(shè)計(jì)成錐型而非鈍形，以避免在跨音速階段形成波阻極大的正激波。此外超音速飛機(jī)的巡航高度通常比亞音速飛機(jī)更高，利用空氣密度較低的空層以減少面對(duì)的空氣阻力。另一方面，超音速飛機(jī)需要更強(qiáng)大的動(dòng)力來(lái)突破音障。

超音速飛行的特性也決定著機(jī)翼的升阻比。超音速飛行時(shí)機(jī)翼產(chǎn)生升力的效率會(huì)比亞音速時(shí)低，同時(shí)機(jī)翼也會(huì)成為阻力的來(lái)源。因此超音速飛機(jī)的機(jī)翼升阻比一般較小，以2馬赫實(shí)現(xiàn)超音速巡航的飛機(jī)，其典型升阻比大約僅為亞音速飛機(jī)的一半，盡可能滿足升力的同時(shí)也減少阻力。以協(xié)和飛機(jī)為例，展弦比為1.7，翼根相對(duì)厚度為3%，翼尖為2.15%，使其超音速飛行時(shí)的升阻比達(dá)到7.7，亞音速時(shí)升阻比達(dá)到12.8。而其他亞音速客機(jī)，如波音747、道格拉斯DC-10、空中客車A320的巡航升阻比普遍約為17。

發(fā)動(dòng)機(jī)用于亞音速飛行和超音速飛行的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有相當(dāng)?shù)牟町?。特別為超音速飛行狀態(tài)優(yōu)化的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠在超音速飛行時(shí)提供較高的燃油效率，但隨著速度的提升，燃油消耗率（SFC）仍然會(huì)相應(yīng)增長(zhǎng)。

當(dāng)?shù)谝淮羲倏蜋C(jī)在1960年代面世時(shí)，亞音速客機(jī)仍然使用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。為了適應(yīng)超音速飛行的需要，因此迎風(fēng)面積較小、低涵道比的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是最佳選擇，以減少阻力及產(chǎn)生達(dá)超音速的排氣速度，而油耗較低和噪聲較少的高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)則不適合用于超音速客機(jī)。由羅爾斯·羅伊斯和斯奈克瑪公司聯(lián)合為協(xié)和飛機(jī)研制研制的奧林匹斯593 Mk 610型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，即屬于專為超音速飛行而優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)，這是當(dāng)時(shí)世界上推力最大渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)協(xié)和飛機(jī)以2馬赫速度進(jìn)行超音速巡航時(shí)，奧林匹斯593型是世界上效率最高的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。但隨著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)自1970年代以來(lái)的廣泛運(yùn)用和日益提升的涵道比，其燃油效益已非此前的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所相比。然而由于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)迎風(fēng)面積大，因此高涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)并不適合超音速客機(jī)使用，一般來(lái)說(shuō)超音速飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比約0.45是屬于一個(gè)理想的情況，而亞音速客機(jī)所使用的高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)一般為2.0或更大。

目前超音速客機(jī)的另一個(gè)研究領(lǐng)域是脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（Pulse detonation engine，PDE）。這是一種基于爆震燃燒原理的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)，比現(xiàn)有的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)能提供更高的效率。美國(guó)國(guó)家航空航天局一直進(jìn)行對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，預(yù)計(jì)采用脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的超音速客機(jī)將可達(dá)到5馬赫的速度。2008年1月，美國(guó)國(guó)家航空航天局利用一架改裝脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的美國(guó)縮尺復(fù)合體公司（Scaled Composites）Long-EZ小型飛機(jī)進(jìn)行了首次試驗(yàn)飛行并獲得成功，雖然總共僅歷時(shí)十秒，但對(duì)于驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)的可行性具有重要意義。

音爆即使超音速飛機(jī)在高空飛行，產(chǎn)生的音爆仍然是一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題。1960年代中，美國(guó)進(jìn)行的俄克拉何馬市聲爆試驗(yàn)，以及美國(guó)空軍的XB-70轟炸機(jī)試驗(yàn)均證明了這個(gè)特性。1

為了消除音爆的影響，超音速客機(jī)可以在到達(dá)海面上空之后才加速突破音障，而在內(nèi)陸上空保持亞音速飛行，避免噪音對(duì)公眾造成滋擾，這也是協(xié)和飛機(jī)一貫的做法。但相比亞音速客機(jī)，超音速客機(jī)由于擁有升阻比較低的機(jī)翼、為超音速巡航而優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)，除非使用一些特別的技術(shù)（如可變后掠翼），否則亞音速飛行時(shí)的效率仍然相對(duì)差得多，并消耗更多的燃油，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性奇差。2

1970年代初在研究激波特性的時(shí)候，美國(guó)國(guó)家航空航天局和康乃爾大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，可以對(duì)機(jī)身進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，利用機(jī)身各部位產(chǎn)生的激波在相位上的差異，誘使它們互相抵消，使傳遞到地面的N形波的強(qiáng)度減小，減低音爆的影響。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)上的限制，難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2001年，美國(guó)國(guó)家航空航天局和諾斯洛普·格魯門公司、國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）合作，啟動(dòng)“定形聲爆驗(yàn)證”（Shaped Sonic Boom Demonstration）計(jì)劃。2003年，一架機(jī)身經(jīng)過(guò)改造的F-5E戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)并獲得成功，其降低聲爆理論已被驗(yàn)證。美國(guó)國(guó)家航空航天局希望這項(xiàng)技術(shù)能在未來(lái)運(yùn)用至商用和軍用超音速飛機(jī)。

參看超音速

亞音速

超高音速

超音速巡航

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所