基本介紹
- 中文名：超音速運輸機
- 外文名：Supersonic transport
發展歷史,跨越音速,曾經圓夢,遭遇挫折,研究挑戰,經濟性,噪聲,空氣動力技術,材料,未來展望,美國,歐洲,俄羅斯,
發展歷史
跨越音速
對於民用飛機而言，如今是亞音速飛機一統天下的時代。波音和空客研製的大型噴氣客機，其最大巡航速度都在0.85～0.90馬 赫（900～950千米/小時，因而被稱為高亞音速飛機。要進一步提高它們的飛行速度，那就必須進行超音速飛行，這時，我們將遇見音障問題。
音障，又稱聲障。20世紀40年代後期，人們在實踐中發現，在飛行速度達到音速的十分之九（0.9馬 赫，約 950千米/小時）時，飛機上的局部氣流速度可能就達到音速，產生局部激波，從而使氣動阻力劇增。更嚴重的是，激波會使流經機翼和機身表面的氣流變得非常紊亂，從而使飛機劇烈抖動，操縱十分困難。這就是所謂的音障問題。20世紀50年代，隨著噴氣發動機研製成功和飛機氣動外形設計的改進，人們終於突破了音障，跨越音速，成功進入超音速飛行時代。超音速技術首先被套用在軍用飛機上，隨著人們對提高民用飛機飛行速度的渴望越來越強烈，超音速客機終於應運而生。
曾經圓夢
20世紀60年代初，在人們對超音速客機市場前景十分看好的形勢下，捷足先登的是英法兩國。1962年，英法兩國簽署了一項政府合作協定，決定聯合研製超音速客機。1963年1月，法國總統戴高樂將這款飛機命名為“協和”。1976年1月21日，“協和”正式投入商業運營。英國航空公司的“協和”客機共飛行了差不多5萬個班次，總計飛行時間達到14萬個小時，航程為22400 萬公里。在 近 30 年 中， 共 有 250萬人次乘坐過“協和”客機，其中包括：英國王太后，她曾在“協和”客機上慶祝自己的85 歲生日；英國前首相托尼 ·布萊爾，他曾乘坐“協和”客機前往華盛頓與美國前總統布希會談；搖滾明星菲爾 · 柯林斯，他曾於 1985 年乘坐“協和”客機到大洋彼岸，出席在同一天舉行的兩場現場音樂會……人們終於圓了快速飛行的超音速客機夢。
“協和”號超音速客機
“協和”號超音速客機與“協和”飛機同時期出現的另一款超音速客機是前蘇聯的Tu-144客機。由圖波列夫設計局研製的Tu-144在外形上與“協和”非常接近，並被西方戲稱為“協和斯基”。但實際上，兩者有很大的不同。兩款超音速客機在外觀上最大的區別是“協和”飛機採用 S 形前緣三角翼，而Tu-144 採用的是雙三角翼.Tu-144 的原型機於1968年12月31日在莫斯科附近首次試飛，比“協和”的首飛早了兩個多月。其最大巡航速度為2.35馬 赫，最大航程6500千米。這些指標都優於“協和”。
Tu-144超音速客機
Tu-144超音速客機遭遇挫折
然而，嶄露頭角的超音速客機命運多舛，分別發生在Tu-144 和“協和”飛機上的兩次重大飛行事故，令超音速客機遭遇滅頂之災。
1973年6月3日，一架Tu-144在參加巴黎航展時突然墜毀，這是超音速客機第一次發生重大事故。
2000年7月25日，法國航空公司的一架“協和”在戴高樂機場滑行起飛時失事，造成機上100名乘客、9名機組成員全部遇難。
波音新概念超音速客機
波音新概念超音速客機此後波音公司於2001年提出聲速巡航者(Sonic Cruiser)概念聲速客機,其設計速度比現不少民航客機快，接近聲速的水平。但由於設計難度太大，該計畫在耗費了數十億美元後被迫下馬，最終只停留在圖紙上。
導致超音速客機退出歷史舞台的還有更深層次的原因，如經濟性差、載客量偏小、運營成本較高以及噪音等問題。其中，最嚴重的是噪音問題，即由超音速飛行所產生的音爆問題。由於音爆嚴重擾民，許多機場拒絕“協和”飛機起降。美國聯邦航空局（FAA）明確規定，不允許超音速客機在美國本土內跨大陸飛行，最終導致超音速客機成為“禁止在陸地上空飛行”的飛機。
“音爆”是物體在空氣中運動的速度突破音速時產生衝擊波所引起的巨大響聲。飛機在超音速飛行時產生的強壓力波，傳到地面上形成如同雷鳴的爆炸聲。音爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰鬥機產生的音爆足以震碎門窗玻璃。有人測量過,一架在16000米高空以2馬赫速度飛行的協和客機產生的音爆對地面的壓強高達100帕，相當於給一塊一平米左右的玻璃窗施加10公斤的力，玻璃嘩嘩直響就不足為奇了。
音爆
音爆2003年10月24日，“協和”在完成最後一次飛行後，正式退出市場。從此，天空中不再有超音速客機的身影。
研究挑戰
經濟性
一般亞聲速客機的升阻比都在20左右這一量級，超聲速飛機一般超不多10。超聲速客機為減租通常機身細而長，載客量明顯小於亞聲速寬體客機，因此使用成本很高。
噪聲
從某種意義上說,音爆問題造成的經濟性差導致了“協和式”超音速客機的商業失敗。在超音速客機的設計中,音爆已成為決定和衡量方案成敗的關鍵技術指標之一,也是超音速客機設計必須解決的關鍵技術問題。因此,探索預測音爆水平的相關技術以求降低飛機的音爆水平已成為當務之急。
空氣動力技術
眾所周知，飛行器的升阻比對飛行器有效載荷及性能有很大影響。升阻比越大，有效載荷越大，所以提高升阻比是飛機外形設計時追求的一個主要目標。在超音速情況下，由於有激波阻力的存在，增加升阻比要困難的多。另外一個氣動力問題就是改善飛機的低速性能們對於超音速客機我們往往追求超音速時的性能，因此在低速時飛機的性能不易保證，這包括增升裝置的研究。
材料
超音速飛行器對材料要求較高。由於飛行速度較高，飛機表面溫度很高，所以需要耐高溫的材料。目前來看，新型耐高溫複合材料的使用給超音速飛機的製造帶來了曙光，然而其中仍然存在這一些問題。
未來展望
美國
在美國，NASA（美國國家航空航天局）早已著手組織研究音爆問題。在 NASA 的資助下，波音和洛克希德 · 馬丁分別完成了新一代超音速客機的概念設計方案，然後由 NASA 進行模型風洞試驗和飛行驗證試驗。目前，上述試驗已經基本完成。測試結果表明，新一代超音速客機通過使用針狀的鼻椎、更加圓滑的機身、三角翼氣動布局和大後掠角翼等技術，能有效降低音爆的影響。波音完成的新一代超音速客機方案被命名為“圖示 -2”。該方案採用大後掠機翼、雙斜尾、細長針狀機頭和雙發翼上安裝布局。其動力裝置採用低涵道比加力燃燒渦扇發動機，該設計旨在大幅降低音爆水平並節省燃料。洛克希德 · 馬丁設計的是一款“超音速綠色飛機”。這款飛機採用了傳統的大後掠三角翼布局，單垂尾，全動平尾。該方案的關鍵性創新在於採用了倒“V”字形發動機，這樣的布局可以大大降低音爆產生的影響，燃油利用效率也得到明顯提高。對上述兩種型號超音速客機的全尺寸低音爆驗證飛行試驗，NASA 正在積極準備中，第一階段驗證計畫將在 2017 年完成。
歐洲
在歐洲，2008年2月6日，英國公布了一款名為A2的新型超音速客機模型。按照設計，A2的最大航程可達 20120千米，可搭載300名乘客，在30500米高空以5馬赫左右的速度飛行。為實現上述目標，A2 將使用更加環保的液氫發動機。為解決超音速飛行中客機表面溫度過高的問題，A2採用了特別的外形設計，機身長達143米，是目前世界上最大客機——空客 A380 機身長度的兩倍。與此同時，空客也宣布了一項名為“馬赫 4”的超音速飛機研發計畫。這架飛機將使用從海藻中提煉的生物燃料，使整個飛行過程“零污染”。它在起飛時將使用傳統的噴氣發動機，達到一定高度後，飛行員將打開一對火箭發動機，使飛機提速。
俄羅斯
有訊息稱，俄羅斯正在設計能將“大艦隊”坦克及其彈藥運送到世界上任何地方的新概念運輸機，這種還在設計階段的新概念運輸機代號“PAK-TA”，將實現超音速飛行(最高速度可達2000千米/小時)，並且擁有高達200噸的有效載荷，單次加油可飛行7000千米，這將使俄羅斯實現全球軍事快速反應能力。
俄羅斯新概念運輸機PAK-TA
俄羅斯新概念運輸機PAK-TA新型運輸機的機體外形採用翼身融合“飛翼”布局與常規布局的混合體，擁有大展弦比的機翼、寬體化的流線型機身和常規飛機的V形尾翼設計。機身背部靠近V形尾翼的地方安裝一台背負式的大涵道比渦扇發動機。該發動機兼具發電功能，所產生的電力儲存在發動機進氣道前方的機身背部空間內的儲能系統，然後再把電力分配給機翼根部2個巨大空腔內的2台電力驅動風扇，其所產生的高速氣流通過機翼後緣的鋸齒狀噴口流出，形成推力，機翼後緣還可以通過偏轉產生矢量推力。V形尾翼位於機身扁平尾部的上方，傾斜角度較大。值得一提的是，“PAK-TA”兼有噴氣式運輸機高速度和螺旋槳發動機的低油耗優點，可以滿足長航程的需要，而且該機的氣動外形設計還有利於隱身。
據俄羅斯媒體報導，目前俄羅斯軍用運輸機的主力仍然是伊爾-76，已難以滿足未來的軍事需求，而俄羅斯與烏克蘭共同開發安-70運輸機的計畫也已泡湯。在這種背景下，俄羅斯必須另謀出路，自己開發未來的超級軍用運輸機，以便運輸“大艦隊”主戰坦克等重型軍事裝備。目前，“PAK-TA”項目已經設計了多款機型，計畫在2024年開始生產，最終將取代俄軍目前服役的運輸機。這意味十年後俄軍將可以在世界上任何地方快速部署重裝部隊。
英國著名詩人阿 · 丁尼生說：“夢想只要能持久，就能成為現實”。從20世紀60年代至今，人們為了追求超音速飛行的夢想已經走過半個多世紀的艱辛路程。儘管困難重重，屢遭挫折，但夢想從未中斷。如今，我們再度站在夢想的大門前。NASA 預計，符合低音爆標準的新一代超音速客機有望在未來10年左右實現首飛，15年內投入使用。人們實現超音速飛行的夢想終將會在不久的將來真正實現。
