@ 2018.12.27 , 10:00

新一代引擎重启超音速客运

曾经的希思罗机场,每天早晨都伴随着巨大轰鸣,宣告着驶向纽约的ba001航班起航。巨大轰鸣声的来源是机上的四部后燃器,用以提供起飞所需的额外推力。进入航线不久,这些后燃器再度被启用,协助客机实现超音速飞行,在三个半小时内抵达肯尼迪机场。而执行这场超音速客运的,正是协和飞机。

不过这一切都在2003年戛然而止。这一年,超音速客运退出了历史舞台。但这不仅仅是由于三年前法航协和客机坠毁,其背后的缘由更为庞杂。其一是该机型使用的劳斯莱斯/斯奈克玛奥林巴斯发动机、后燃器等全部组件耗费燃料过多,导致航班运营亏损。其二是进行超音速飞行时突破音障会产生激波。这意味着当其飞过陆路的时候,飞行速度必须限制在1马赫以下。而最适合的奥林巴斯发动机运行速度远在音障突破速度之上,意味着其商业性死亡。

不过这些都是过去式了。现代的工业材料做到了更轻、更牢固。空气动力学和音爆的物理理论都得到了进一步发展。航空市场也出现了更为实际的超音速客运需求。因此,几家航空企业都开始谋划在超音速市场分一杯羹。有些看好只有协和式100座客机运载能力一半的飞机;而其他几家则打算从二三十个商务舱座位的更小机型入手.

这类新机型升空的可能性在近期大幅提高。最大的喷气发动机制造商之一的通用电气,已经组建起了一群工程师队伍。他们的办公地点设在内华达州Reno市的Aerion公司,目的是设计一款名为Affinity的飞机发动机。两家企业相信,这将成为继奥林巴斯发动机后的第二款投入实用的民航超音速喷气发动机。奥林巴斯发动机原本是为英国轰炸机设计的,在五十年前最终被协和客机采用。

Aerion最终计划制造的是as2机型,一架12座的超音速喷气机。一旦Affinity原型机建成通过测试,每架as2将会由3台Affinity提供动力。as2机型计划于2023年首飞,最高设计速度为1.4马赫,比不过协和式客机超过2马赫的速度。但通用电气公司认为,与奥林巴斯发动机不同,Affinity发动机将同时适用于亚音速飞行和超音速飞行,并满足现有的和将来的机场噪音和环境管理条例。即使未来法规条例有可能更改,但在现有的法规下,as2在途径陆地的时候仍将被限制以亚音速飞行。Aerion公司称,如果将来需求提高,Affinity发动机还有进一步提升的空间,使商务机以1.8马赫或更高的速度飞行,并能承载更大型的超音速客机。

新一代引擎重启超音速客运

不可抗力

与所有发动机一样,Affinity必然仰赖于牛顿第三运动定律(每个作用力都有一个与之大小相等、方向相反的反作用力)。大量的空气被吸入发动机的进气道,从后方以更快的速度排放出来,从而制造了作用力。再由这个作用力产生的反作用力推动着发动机和与之关联的一切朝着相反方向前进。

在简单的模型中,发动机吸气后将空气压缩,再混入燃料一起在燃烧室中点燃,从而制造出大推力的排气。不过当代的涡轮风扇发动机同时会利用部分排气推动进气道前端的风扇。部分空气经由包裹着发动机核心的外函道排出,提供额外推力。外函道推力比内函道推力更为经济,但速度也较慢。因此,超音速飞机的外内函道之比必须非常小,大多军用飞机该比例是1:1,而民航客机的外内函道之比可能高达10:1(不仅更经济,而且更安静)。

Affinity则取了两类方法的折衷思路,混合了军用和民用技术。设计师并没有透露这款发动机的外内函道比例(还有许多别的内容,现在都还是机密)。不过他们称之为“中等外函道发动机”,并称它有远超其余超音速发动机的风扇,还不需要夸张的后燃器。

得益于热涂层、航空发动机气动声学以及诸如轻质碳纤维之类的材料技术的进步,实现这样的航空发动机已经成为可能。譬如3D打印这样的新型生产方式也起到了帮助。航空巨头洛克希德马丁、大型电子设备制造商霍尼韦尔也作为合作伙伴一同参与了该项目的研发。

作为项目领头人、通用电气高管之一的Brad Mottier称,研发中最困难的在于:Affinity发动机不像普通的民航客机发动机一样悬挂在机翼下方,而是要与机身融为一体。空气动力学的定律决定了唯有如此才能让发动机更高效。而这样做也有助于抑制音爆。音爆的产生是由于空气积压在飞机的各个迎风面,尤其是机头、机翼和发动机进气道等位置。音爆之后转化为携带巨大能量的激波,对地面生物的听觉造成损害。将发动机与机身融合,再加上形状特殊的细长机头等设计上的微调,就能尽量抑制音爆发生。

为消除既有的音爆,让as2更加适合陆上超音速飞行,该机的控制系统还将对周边大气状况进行不间断侦测。航空工程师们相信,可以据此借助“音速临界”(Mach cut-off)效应对音爆消音。其中包括对音爆进行引导,即使其通过低处的较厚空气层进行折射。只要折射次数够多,音爆最终会被反射出去,无法到达地面。给自动巡航系统提供足够全面的大气信息,就可以让飞机以“音速临界”最大化的路径自动飞行。

航空专家们正在测验这些思路。11月中,在NASA的邀请下,一架大黄蜂战斗机在德州的加尔维斯顿表演了一系列的超音速俯冲。NASA试图模拟出音速临界导致的音爆消音现象。他们在地面配备了声波检测装置,并要求400位当地居民记录下任何听到的声响。有些人说什么都没听到,还有人说听到了像是车门砰地关上的声音。

NASA希望在之后几年里能让实验性超音速飞机在美国各处试飞,进一步测试减缓地面音爆强度的方法。一旦取得成功,法律法规或许会像Aerion预料的那样,能够允许未来的超音速飞机经由陆地自在飞行。这些新型快鸟的票价和音量如果都能足够亲民,必将迎来比协和式客机更为美好的未来

本文译自 The Economist,由译者 Longinus 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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