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超声速旅行 未来如你所愿

时间:2018年04月11日 11:34    来源:大飞机报
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未来超声速客机设想图  夏明制图

 

协和飞机  资料图

 

飞机突破音障的瞬间  资料图

 

空客A350飞机拥有较好的客运里程效率  空客供图 

   

   

  随着经济社会的发展和生活水平的提高,乘坐飞机进行远程旅行已成为大家的首选。大家最关心的事情是要花多少时间,要花多少钱,乘坐是否安全舒适。

  对于有过洲际旅行体验的人,乘坐飞机超过十个小时以上是一种很痛苦的事情,即使机上娱乐设施再丰富完善,也很难消除乘客的旅途疲劳,大部分人都希望飞行时间能够缩短一半甚至更多。特别是相当一批对时间敏感的高层人物、政府要员、商务人士都希望提高远程旅行的效率。

 

  超声速旅行的希望

  乘坐超声速客机飞行就能满足这种愿望,现在飞行时间十多小时的北京-洛杉矶航线,未来仅需四五个小时,也就相当于北京坐高铁到上海的时间。可以想象一下,搭上超声速飞机,早上离开洛杉矶,中午就能见到国内的爸妈,吃上热腾腾的饭菜,将是多么惬意的一件事情。

  人类历史上实现过超声速旅行是在上世纪。早在1976年,英法联合研制的协和号超声速客机就投入了商业飞行,开创了人类超声速空中旅行的先河,可称得上是当时人类最大的技术创新和进步之一。协和号客机先后运营了24年,曾经一票难求,为英国航空公司带来了巨大的收入,但由于安全性能、环保问题,以及运营成本等原因,于2003年结束服役退出历史舞台,成为航空史上的绝唱。苏联曾研制出图-144超声速飞机,自1977年开始载人飞行,但由于性能问题不久停飞。美国也曾想推出波音2707超声速客机,但由于环保争议未能完成研制。时至今日超音速商业飞行已消失了15年,目前一些人仍在召唤超声速客机的回归。“协和”飞行员迈克·班尼斯特就表示:“人类是不应该走回头路的,我不想告诉我的后代们,我们曾用三个小时横穿大西洋,而现在却不得不使用六个小时”。

  从协和客机诞生至今,民用航空界发生了巨大变化,在“绿色、经济、环保”的主题下,航空制造业围绕进一步提高产品气动效率、结构效率、动力系统效率和设备可靠性形成系列技术突破。伴随着移动互联网、云计算、大数据技术、人工智能技术、导航与通信的技术进步,民机将更加智能化并进入云时代。航空发动机技术快速发展,催生智能发动机、多电发动机、发动机新架构、新材料发动机等新方案,性能不断突破新高度。可以说,当前的民机技术相对于协和时代已不可同日而语,人们再次看到了超声速旅行的希望。

 

  超声速飞机回归还有哪些挑战

  那么,超声速客机回归到底还有什么困难呢?

  首先是声爆问题。超声速飞机在起飞和降落时噪声很大,特别是超声速飞行时会产生强大的声爆。声爆对沿着超声速飞机航线的长数千公里,左右宽30~50千米的地面范围都有影响。声爆在人们感受中具有突然爆发的特点,可引起惊吓、激动,成为睡眠、休息和工作时的障碍,引起建筑损伤破坏,产生有害的生理反应,航线上受影响的人数或达到数百万。当年,“协和号”飞机就是因为噪声太大,被禁止飞越居住区上空,而只允许在海洋上进行超声速飞行。由于这个禁令,它只能在少数几条航线上服役,例如纽约/华盛顿到伦敦/巴黎,大大限制了其市场发展。

  在过去的30多年里,欧美国家持续开展了二十多项声爆研究,旨在降低超声速飞行声爆强度或明确声爆标准。物理上,声爆与飞行高度、速度、飞机重量和形状有关。在同样飞行速度下,飞行高度低,地面受激波就强,反之就弱。同样,在高度相等时,飞行速度越大,激波越强,反之就弱。此外,飞机越大,声爆就越强,反之就弱。在飞机外形上,研究人员也正利用计算机模拟技术和风洞试验技术,通过可伸缩静音锥以及新型气动布局的方式来降低音爆水平。这种设计的主要目标是,重塑超声速激波的形状,利用大气衰减效应来削弱激波的强度,等到激波传到地面,产生的音爆不致扰民。因此,为了减弱声爆对地面的影响,保护民众的利益,把音爆的感觉噪声水平降至75分贝以下,当前只能将飞机设计得更小、速度不宜太快,飞机超声速飞行不低于规定高度。

  目前,FAA和ICAO正在开展制定全球声爆标准的研究,以期在未来解除超声速大陆上空飞行的禁令。NASA于2016年提出了未来10年投资106亿美元的X系列验证机开发计划。其中,超声速低声爆X验证机成为最先启动的项目。NASA计划在2021年试飞超声速低声爆验证机,用来收集公众对75PNLdB声爆的反应数据。一旦声爆的问题得到解决,那么超声速商业旅行将会实现质的飞越。

  其次是发动机问题。民用飞机要实现超声速旅行,如时速达到约两千多公里,必须有与之匹配的发动机。这种发动机不同于常见的亚声速民机发动机,它需要适应亚声速、跨声速和超声速等不同的速度范围,还要达到相应的安全性、可靠性和使用寿命等性能要求。就现阶段世界上最先进的超声速发动机水平而言,只能使用通用公司原军用涡轮发动机,这种发动机能适用于2倍音速的飞行速度,可以满足基本的动力需求,但是相对于亚声速发动机油耗要高很多。

  发动机排放污染问题也是一种困扰。模型研究表明,飞机燃料燃烧后产生的排放物在大气层的不同部分影响并不一样。大部分旅客运输和货运都是由亚音速飞机承担,飞行高度在对流层上部接近对流层顶的高度,在对流层排放的氮氧化物,有助于其中臭氧含量的增长。超声速飞机飞行的区域在同温层的下部,臭氧确实会因为氮氧化物集中度的提高而被破坏。

  在亚声速民机领域,世界上已经有很先进的高性能涡轮风扇发动机,未来如果能够开发出同时满足亚声速和超声速飞行包线范围内推力要求的高效、耐久、维修性强的发动机就很理想。目前,适用于不同超声速巡航飞行速度的变循环发动机、涡轮组合循环发动机、超然冲压发动机等都正在研制当中,或在未来成为超声速客机的实际选择。

  此外还有集成问题。研发现代超声速民机,是一项复杂的系统工程。由于速度跨过声速,飞机需要设计得更加紧凑,集成度更高,才能有良好的性能。包括在超声速巡航和亚声速非设计状态下均具有较好的气动特性、拥有与未来亚声速客机在经济性上进行竞争的实力、符合FAR的噪声规定、适当的起降距离要求、寿命要达到至少6万小时等。具体而言,需要兼顾高效飞机-发动机集成设计、先进减阻技术,以提高巡航效率,降低机场噪声;需要兼顾气动-推进-伺服-弹性集成设计,以减缓颤振、阵风、机动等载荷;需要采用兼顾轻质结构和耐高温材料,减轻飞机重量,提高飞行速度可用范围。例如,协和超声速客机的巡航速度被限制在稍超过Ma2.0,主要是因为采用了铝合金材料,未来超声速客机多数将采用轻质复合材料从而突破表面加热的限制,同时降低飞机重量。此外,超声速运民机适合的飞行高度在16000米以上,因此还要考虑辐射、客舱失压等对机组和乘客的潜在危害。

  当然,即便这些技术能够成功,超声速民机产品如期推向市场,短期内还难以便宜到足以与现有客机竞争。历史证明,新技术投入使用初期运营成本不免高昂,但随着技术进步和运营规模化,这些成本会逐步降低。“协和”最大的遗憾很有可能是没能熬到完成这一“廉价化转折”。

 

  超声速飞机的未来前景

  从研制“协和号”飞机到现在已过去近半个世纪,如今发动机技术、航空材料技术、航空电子技术都取得了巨大发展,特别是全球快速运输能力是目前需要填补的市场空缺,市场需求趋势日益明显。超音速旅行如今在欧美掀起了新的热潮,波音、空客、NASA等大型公司和机构均参与了公开或秘密的研制,湾流公司、洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁门公司、SAI等欧美飞机制造商都在该领域进行推动研究,欧盟发起了“高超声速速飞机”项目,日本也在着手超声速客机研发,以迎接制造超音速飞机的新时代。

  目前,美欧对可能装载200-300名乘客、Ma2.0-2.5、符合欧美严格的噪声标准的第二代超声速运输机的研究仍在进行之中,而几种尺寸较小的超声速公务机已经进入试飞阶段。原因是对于超声速公务机来说,机场噪声、声爆和高空污染排放相对较小,可行性较大。已有多家公司陆续推出超声速公务机的研制计划。例如,美国Spike航宇公司正在研制面向公务机和私人飞机市场的12座级、Ma1.6巡航的超声速公务机S-512,其首架亚声速缩比概念验证机SX-1.2已于2017年10月7日上午成功完成首飞,计划2023年交付用户。

  在高超声速客机方面,研究人员预测,未来20年,全球对100座级Ma5的产品的初步需求将超过200架。英国HyperMach公司的最新方案“超级星”已经将速度指标提升到了Ma 5,载人数36,其中创新提出油电混合动力和等离子体主动流动控制等一系列先进技术,在各国纷纷关注冲压组合、预冷涡轮、乘波布局等主流路线时,为世界高超声速飞机发展开辟了一条全新的技术路线。全尺寸“超级星”高超声速公务机预计将在2025年完成首飞。欧洲航天局(ESA)推出了“长期先进推进概念与技术高超声速计划”。该项目分两个阶段实施,第一阶段分别对Ma4.5、Ma5和Ma8的三种概念飞行器进行前期研究。第二阶段,将研究范围缩小为Ma5和Ma8的两种飞行器,其载客量均为300人左右。Ma5的飞行器将采用液氢燃料,而Ma8的飞行器推进系统则会考虑选用基于涡轮或是火箭的组合循环发动机。这种飞机也适合于太空旅行项目,将来飞机到太空去不是一个人的事,也用不着像杨利伟那样受严格训练,普通人心脏就可坐这个飞机到太空去旅游,甚至可以几十、几百个人一起去,一起回来。

  俄罗斯工业贸易部门近日透露,准备用7-8年的时间设计出一款50座以内的超声速商用客机。俄罗斯联合飞机制造集团具有制造超声速商业飞机的技术储备,只要发动机改进成功,7、8年内生产出超声速商用客机验证机应该没问题。俄罗斯中央气动研究院也在研究几个方案的超声速客机:分别是12-16座、60-80座以及6-8座的,不过可能要从12-16座的开始,这主要是根据市场需求决定的。在12-16座飞机的设计方案里还有苏霍伊设计局、俄罗斯航空学院以及其他欧洲国家参加。此外,日本也在着手Ma5的高超声速客机研发。由16家来自欧洲和日本航空航天科研生产单位组成的国际团队,正联合开展一个名为“未来高速空运关键技术研究与创新合作计划”的项目。

  未来,超音速客机机票价格应该不是那么高不可攀,目前研制超声速飞机的公司基本定位于是一般商务舱的票价。比如现在需要将近八小时的伦敦到纽约航线,未来将只需要三个半小时就能完成,票价单程2500美元左右。现在飞行时间十几小时的北京到洛杉矶航线,未来仅需四小时,单程票价为5000美元。目前,在客运里程方面,协和式飞机的运营成本是747-400的4-5倍之多。同时,波音787、777X、空客A350等宽体式客机在客运里程方面的效率要比747-400高20-40%。也许,随着新一代超声速客机的推出,其票价仅仅达到波音787的190%,超声速旅行不再是一项奢侈消费,一般工薪阶层也有能力体验。

 

  延伸阅读:中国商飞的努力

  近年来,中国商飞公司北研中心成立了一支专门从事未来民机研究的团队,开展了系列新概念民机探索研究。其中,瞄准未来超声速客机发展前景,开展了超声速客机方案探索研究,对超声速客机的座级、航程与速度进行了权衡选择,并对气动布局初步方案进行了设计分析,初步形成了后续技术发展思路:包括总体布局、总体布置、气动设计、结构设计、飞机发动机一体化设计等。他们正在用自己的双手和智慧,描绘中国超声速客机的未来,以期为心心念念期待超声速旅行的乘客提出属于中国的技术解决方案。在不远的将来,超音速飞行将再一次走入人类的日常生活中,也将深刻改革我们出行的方式。(作者:张志雄)

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