新一代超音速飞机有望克服音爆等重大问题

2010-7-08 00:00 来源: 科技日报
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  曾投入实用的超音速客机已离人们远去7年之久,却常有念旧之人缅怀那些造型优雅的飞机穿梭天际的美好时代。据美国《连线》杂志与英国《每日邮报》等媒体近期报道,为了探索航空飞行的未来,美国洛克希德—马丁公司与波音公司日前都向美国宇航局(NASA)提交了未来新型超音速飞机的方案,航空公司声称设计中采取了许多行之有效的办法用以克服超音速飞机的固有问题,包括音爆、续航距离及载荷等,以期寻求更多元的飞行用途。

  而对于那些无法忘怀超音速客机的人们,是不是看到了一线曙光,来重拾那萦绕已久的“协和飞机之梦”。

  曾经的辉煌与失落

  协和飞机一度集万千宠爱于一身。

  协和飞机(亦称协和客机)是由英国和法国联合研制的一种超音速客机。它的最大飞行速度可达2.04马赫,巡航高度18000米,于1976年1月21日投入商业飞行。英国和法国航空公司使用协和飞机运营跨越大西洋的航线。由于相当一段时间内未发生任何事故,协和飞机获得了全球最安全客机的名声。而其速度更是普通喷气式飞机无法比拟的:当时从欧洲到纽约的航程只需要不到三个半小时,因为伦敦和纽约时差就有四个小时,所以搭乘协和飞机的旅客最喜欢说:“我还没出发就已经到了。”

  2000年7月25日,法国航空公司的协和飞机于巴黎戴高乐机场附近发生空难,113人罹难。法航停飞所有协和飞机,适航证被收回。

  尽管在重新改造了机体缺陷后,技术上已过关,协和飞机重获适航证书,但或许民众因空难产生了巨大的心理落差,协和的声望已大不如前。此时诸项问题渐渐浮上水面。

  首先是无法解决作为超音速飞机所固有的音爆问题。在协和出现以前,只有少数军用飞机可突破音速,因而人们并不了解音爆。但协和飞机在突破音障时也发生音爆,因此被禁止在陆地上进行超音速飞行;另外,以当时巴黎至纽约往返机票价格为例,协和飞机售价9000美元,比普通客机的头等舱还贵25%。

  音爆带来的掣肘与高昂的营运费用合在一起,几乎直接断送了这种飞机的生命。协和飞机一共建造了20架,到2003年4月,尚有12架在进行商业飞行。2003年10月24日,协和飞机执行了最后一次航班后全部退役,从此天空中再也寻觅不到超音速客机的身影。

  除协和飞机以外,另一种曾商用的超音速飞机是由前苏联设计制造的图-144型客机,尽管使用并不广泛,却是历史上第一架超音速商用客机。只可惜,3次飞行事故——其中一次还是著名的1973年巴黎航展时半空爆炸分解,给图-144的命运渲染上了悲剧色彩。1985年,图-144被封存入库,数年之后重返舞台时已是作为一台研究机的身份。2008年,美国《连线》杂志评出了历史上十大最差的飞机,图-144名列榜首。 

  能否重归商用之旅

  美国洛克希德—马丁公司推出了新一代“超音速绿色飞机”的设计方案,该方案的关键创新之处在于采用了倒V字形引擎,并在引擎阵列上安置抛物线状尾翼,以上设计可大幅减少潜在的破坏性音爆。

  音爆是协和飞机在美国等陆地上空被禁飞的原因。其反映到人的耳朵里,会感觉到两声巨雷或重磅炸弹般的巨响。这是因为当飞机在空中作超音速飞行时,机头的突出部分会像水中前进的快艇一样撞开空气,而在飞机尾部闭合的空气则形成两道激波。激波周围空气的压强、密度、温度会突然升高,空气流动速度立即下降。

  激波波及到任何空间和物体时,均会让其感到这种强烈的变化,对人耳来说就是耳鼓膜遭空气压强骤变,对地面建筑物来说,极端条件下音爆达到60秒后产生的冲击足以击碎玻璃。据说,有人曾做过预测:一架在16000米高空以两倍音速飞行的协和飞机产生的音爆,对地面产生的压强高达100帕斯卡。这相当于给地面上一块1平米见方的玻璃上施加10公斤的力,这不免让人担心。只不过,音爆还跟飞机的外形、尺寸、行进速度、高度及大气等诸多因素相关,难以精确测量。

  NASA现正在对新一代的设计方案进行评估,据洛克希德—马丁公司公布的图片来看,这款绿色的飞机线条圆滑、身形纤细,尤其是下垂的机头——为了避免飞行员在起降时由于高仰角导致视线被机头挡住的设计,让人顿时想起协和飞机。NASA表示,该“超音速绿色飞机”的倒V字形引擎装置相当于赛车上的阻流板,可改善气流、减少音爆,同时还具有环保、增加续航距离及有效载荷等优点。

  而据波音公司发布的概念图,它设计的新一代超音速飞机也使用了V字形的双尾部,与洛克希德—马丁的飞机一样,引擎安置在机翼上部。而当年协和飞机与几乎所有的普通商业飞机一样,引擎位于机翼下方。

  将模拟实验结果与协和式超音速飞机相比:普通的协和式超音速飞机无法解决在突破音障时发生音爆的问题,且要达到如此高速度,必须以大量的燃油为前提,同时还会喷出一氧化二氮。但新一代超音速飞机不仅抑制了潜在的破坏性音爆问题,且能够在飞得更远的同时,让燃油利用效率提高。

  技术过硬方能突破“心障”

  新型超音速飞机概念设计虽日臻完善,但它们离“上天”还需些时日,预计可在2030年至2035年间投入运用。NASA计划于2035年空间旅行计划中让它派上用场,这或许是人们再次看到超音速客机的日子吧。

  超音速客机远离蓝天,当然不仅仅是音爆、环保等问题。2000年发生的空难,失事过程被民用摄像器材拍了下来,此前很少出现的客机失事最后时刻的图片瞬时覆盖全球,给大众心理造成一定震撼,或许只有绝对过硬的技术,才能弥补不安,让人们对超音速客机的重返再建信心。

  

  洛克希德—马丁公司提交的未来新型超音速飞机方案

  

  波音公司提交的未来新型超音速飞机方案