@ 2015.09.18 , 22:00

建造超音速客机需要面对的挑战

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在三小时内飞抵任何地方的客机能在2030年服役吗?

“这是一架神奇的飞机……乘坐它飞行的乐趣几乎是肉欲的。”法航首席空姐Joelle Cornet-Templet对于协和这样说道。它是世界首架超音速民用飞机之一,在1976至2003年间服役,成为高大上旅行方式的口号。

这架血统优良的客机可以在17小时3分45秒内从伦敦飞到悉尼;相比之下一架波音747约需22小时。

协和飞机是一个排他性俱乐部总共两名成员中最知名的一位;能够突破音障的唯一其它民用客机是苏联的图波列夫图-144,一直飞行到1999年。在冷战后的一项联合研究计划中,图波列夫的一个变种被NASA和美俄航空工业用来进行实验。

协和和图波列夫客机的终结给超音速市场留下一片空白,但现在,协和机队最后飞行的12年后,更快的飞机正在研究设施里成型。

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协和在2003年引退,超音速航空旅行也随之而去 (Credit: Science Photo Library)

这些设计之一是Lapcat-II,一架由欧洲设计的巡航速度高达八倍音速(8500公里/小时或5280英里/小时)的飞机,能在2小时55分内把乘客从布鲁塞尔送到悉尼。

七月在苏格兰格拉斯哥的AIAA高超声速空天飞机会议上,由Lapcat-II研究人员提交的论文说,他们早期的客机测试表明,这种设计会比现有飞机更环保、一样安全,并且成本不会比今天的长途航班高太多。

燃油因素

欧洲航天局(ESA)的高级研究工程师和Lapcat-II协调员Johan Steelant与他的同事们已测试过两个原型。一个是一架5马赫飞机——由预冷空气涡轮冲压发动机推动的Lapcat-A2;以及一架ESA设计的前途有望的8马赫飞机,也以冲压发动机为动力。

冲压发动机是一种吸气式的喷气引擎,它没有主要运动部件。发动机在高速行驶中的向前运动压缩前方空气,把它压入燃烧室。类似的概念也用来推动欧洲台风战斗机使用的新型导弹

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冲压发动机驱动飞机飞得很快。但是你怎么给它们提供动力呢?燃料的选择是非常重要的,特别是未来高超音速机队的一个考虑就是保持其排放量尽可能低。这就是为什么选择氢,而不是基于碳氢化合物的燃料。

虽然氢可以被点燃,但爆炸或起火的风险相比传统的航空煤油燃料更低

更重要的是,液氢燃料在空中不是高度易燃的。虽然氢可以被点燃,但爆炸或起火的风险相比传统的航空煤油燃料更低。NASA就使用同样的东西推动航天飞机。

“如果有泄漏,因为氢很轻,它会直接上升,因而不会像煤油一样在地上积一滩氢。和煤油一样,氢需要点火器或热源才能启动燃烧,所以它不会自燃。”Steelant说。

Lapcat-II团队在这一领域并不孤独。他们与太平洋对岸的研究者们分享概念和想法。在亚洲,日本宇宙航空研究开发机构(Jaxa)也在研究叫做Hytex的高超音速客机,打算以5马赫速度在两小时内横跨太平洋。

Lapcat-II和Jaxa两者都是欧洲和日本之间高超音速知识转移项目“”的一部分。

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NASA等机构也探索了超音速航空旅行 (Credit: Science Photo Library)

Hytex的涡喷发动机已在模拟高达1.8马赫速度的飞行实验中成功,Hytex使用液氢同时作为燃料和高超音速空中旅行的冷却剂。

“我们已经完成了Hytex的概念设计和空气动力风洞试验,燃料消耗是火箭发动机的五分之一,” Jaxa的高超音速飞机研究领导田口秀行说。

氢的饥渴

但是,有效地获得氢是高运营成本的一个主要因素。如果氢的来源可以从天然气,而不是从电解水获得,高超音速旅行的票价可能下降到商务舱机票价格的大约一半。

根据目前的预测,机票价格将比目前的亚音速商务舱票价高三倍左右。有人估计布鲁塞尔到悉尼单程旅行的每座成本在5000欧元(3700英镑)。

另一种燃料可以是液化天然气,如超低温液态甲烷

现在最大的问题是如何制造出所有的氢。

“风力涡轮机可以通过生产氢气来储存能源,“Steelant说,“这已经被比利时一家连锁超市确定了,他们的叉车由现场的风力涡轮机田产生的氢气驱动。”

虽然氢燃料飞机不会像今天的亚音速飞机一样排放二氧化碳、氧化硫或炭黑等温室气体,还有另外一个问题,氢燃烧产生的水蒸汽会在平流层中停留很长一段时间,可能会是全球变暖的一个促进因素。

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苏联的图-144是唯一其它比音速快的客机 (Credit: Science Photo Library)

这影响可能比目前的长途客机机队更糟——水蒸气停留更久。“我们还要考虑水蒸汽随时间推移分解,” Steelant说,“以前的研究已经表明,水蒸汽的生命期呈指数下降,从25公里高度的30年,到32至34公里以上的不到一年。”

Lapcat-II也计划让他们的ESA变种8马赫飞机飞在大大超过33公里高度,希望最小化对环境的影响。另一种燃料可以是液化天然气,如超低温液态甲烷;当作为液体存储时,它所需要的空间远远少于气体。

“如果存在一个小型公务机市场,这可能会铺平道路,”Steelant说。

争夺天空的比赛

其他公司已经在努力使超音速公务航空市场成为现实。空中客车公司刚刚申请了一个三角翼4.5马赫高超音速设计专利,可用于制造公务机。同时,他们正与美国初创企业Aerion公司合作为富有客户提供一支超音速飞机机队。

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Lockheed Martin N+2

另一家美国航空公司Spike Aerospace计划推出一架类似的超音速商务客机,有连接外部摄像机的内部视频屏幕而不是窗口。而洛克希德马丁有一架商用飞机N+2,将以1.7马赫飞行

然而飞得如此之快有一个问题——打破音障时的音爆。欧洲的高超音速喷气机将飞越北极,横跨白令海峡,以避开人口密集的陆地。音爆产生传播到地面的160分贝噪音,可以永久损害人耳。退役的协和飞机产生135分贝的地面噪音——比普通的空客响多了。

NASA正与洛克希德马丁和波音公司设计更安静地突破音障的飞机

另一个问题是当超音速飞机改变速度、转弯或机动时发生的“超音爆”。在超音爆中地面上的音爆噪音比飞机高度上响二至三倍。欧洲的高超音速飞机将飞得更高,它的地面冲击波会散播出去,产生一个较小的冲击波。

NASA正与洛克希德马丁和波音公司设计更安静地突破音障的飞机。可能到2020至2025年,飞机就可以在人口稠密的陆地上方突破音障而不造成巨大干扰。

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Aerion

在欧洲,Steelant的团队在风洞内以8马赫速度测试了他们的300座设计,尽管是1:120比例尺模型。他们证明了该设计能产生正推力。尽管该设计比4马赫飞机每秒消耗2倍燃料,它能在大约一半时间内到达目的地——所以旅途中的整体燃料消耗是大致相同的。

热量问题

应对热量将是真正的问题。任何以5马赫及以上速度运动的物体必须承受高达1,000摄氏度的表面温度。铝和钛在这种速度会像黄油一样融化,必须要使用陶瓷板。

在测试中,在8马赫积累的热量比5马赫少最多30%。这种“热悖论”对Steelant团队是一个惊喜,他在七月的格拉斯哥会议上公布了他们的研究结果。“8马赫的热保护可以比5马赫更轻。当我们有一架更轻的飞机,我们就能有更少的燃油消耗和较小的油箱,结果又使得飞机更小,” Steelant说。

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一个基于Lapcat A2的设计可能在短短几小时内从欧洲飞到澳大利亚 (Credit: Reaction Engines)

Jaxa项目研究了5马赫高超音速飞机的潜在市场,根据市场研究发现每天飞两个往返的100座飞机是切实可行的。这些乘客主要将由狂热的头等舱持票人组成。

根据空客和日本飞机发展公司的研究,到2030高超音速航空业会雇佣超过五十万人,每年价值35亿欧元。

“东京至洛杉矶的估计票价与现有头等舱座位是相同的,” 田口说。这代表了约10%愿意为节省时间的路线付钱的乘客市场。

空客和Aerion公司的飞机将在2019年开始测试,欧洲的5马赫A2飞机可能另外需要20年才能完成,ESA的8马赫飞机可能在21世纪中叶某个时候在商业上变得可持续。

上世纪七十年代为超音速航空旅行铺平道路的协和和图波列夫现在尘封在博物馆中。但在未来的日子里,它们的遗产会更快更高地继续下去。

本文译自 BBC Future,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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