波音和洛馬披露超聲速概念方案細節

王元元

空氣動力學的物理原理決定了無論采用何種外形和動力，只要飛行速度超過聲速就會產生音爆。但是，降低音爆強度的技術已經研究了很多年。近日，波音和洛克希德·馬丁首次披露了他們各自的超聲速低音爆驗證機的設計細節。

NASA認為，經過波音和洛馬為NASA設計的低音爆驗證機研究，現在進行全尺寸的低音爆演示驗證的時機已經成熟，更重要的是，可以通過全尺寸的低音爆演示驗證來測量公眾對音爆的接受程度。目前，美國的法律禁止超聲速跨大陸飛行，因此開發一個可行的超聲速運輸機——無論是航線飛機還是公務機——都取決于公眾的接受程度。

NASA航空研究任務事務部基礎航空計劃下高速項目的經理彼得·科恩說：“我們認為是時候該進行飛行演示驗證了。總的來說，我們的工作展示了我們找到了一條正確的研制環境可接受超聲速飛機的道路，NASA對此也感到非常興奮。我們已經做好了進行下一步工作的準備。我們認為下一步的工作是要進行低音爆的飛行演示驗證，這是確保美國的航空航天領導力和開發未來超聲速飛行市場的重要舉措。”

在上個月于亞特蘭大舉行的美國航空航天學會2014年年會（AIAA 2014）上科恩表示，“NASA對重新開啟X驗證機計劃非常感興趣。他們想利用X系列飛機作為一個低成本的驗證手段。”但是，投資這樣一個驗證機需要很多步驟，NASA計劃在2015財年尋求資助。科恩表示：“這是一個漫長的過程，我們僅僅開始了第一步。我們現在必須獲得項目授權，并尋找合作伙伴，然后才能驗證音爆是可以接受的。”

作為超聲速研究計劃第一階段（2013～2017）的項目，NASA授予波音和洛馬公司低音爆概念演示驗證合同，目前雙方披露了各自的研究成果。NASA授予合同的總體目標是：一個有人駕駛、能夠晝夜飛行、巡航速度不低于馬赫數1.4、巡航高度15240米的超聲速飛機。同時，要求該機最優音爆水平達到飛行軌跡下不高于75PLdB，飛行軌跡側向不高于70～75PLdB。這些指標都遠遠小于“協和”的105PLdB。科恩表示：“我們已經完成了第一階段的任務，并且獲得了技術可行、經濟可承受的概念方案。我們現在要開始優化這兩個布局，并考慮如何將這兩個方案結合在一起研制全尺寸驗證機。”

波音的方案

波音獨特的低音爆驗證機概念采用了雙斜尾和翼上安裝加力燃燒發動機布局。

波音的低音爆驗證方案的特點是：大后掠機翼、雙斜尾、細長針狀機頭和雙發翼上安裝發動機。波音低音爆飛行演示概念方案主要研究人員Tony Antani表示：“我們的出發點是基于NASA的N+2代飛機的研究基礎，但是N+2研究是全尺寸的。為了降低成本，我們進行了縮比，安裝了商用貨架發動機，并重新設計了整個機翼。我們完成了所有的外形優化設計，但是同時滿足可感覺噪聲、低音爆和最小化配平要求三項指標、獲得三者之間的平衡是充滿挑戰的。波音的方案采用了雙余度液壓和電力系統，發動機引氣驅動環控系統，低涵道比加力燃燒渦扇發動機，雙余度飛控系統作動器和安裝在機身中部的駕駛艙。駕駛艙罩、駕駛艙系統、主起落架和前起落架都來自其他的飛機，例如，三軸飛控系統就來自波音的‘鬼眼氫動力無人機。由于駕駛艙位置靠后，顯示系統采用了增強和合成視景系統以幫助完成起降階段的操作。”

Antani說：“我們研究了不同的馬赫數的方案，確定最佳巡航點在1.4和1.6之間。對于噪聲來說，我們目前能獲得0.5dB的裕度，我們還在繼續努力提高噪聲裕度。”

一個關鍵的設計挑戰是如何將目前的縮比驗證方案可追溯地放大至全尺寸方案。外部可感噪聲低于75PLdB是一個關鍵的目標。驗證機的尺寸對于噪聲峰值頻率在哪出現具有很大的影響。Antani說：“NASA的一個主要要求是展示低頻噪聲對地面建筑物的影響。這就要求峰值頻率低于10赫茲，我們的設計方案滿足這個要求。”

Antani還表示，我認為“我們的設計結構上是可行的，并且有合理的表面標準。顫振裕度也足夠，陣風載荷并不大。所以我們非常滿意我們提出的方案。”盡管如此，波音的設計團隊還在努力解決4個大的風險問題，分別是75PLdB的噪聲上限如何滿足、項目成本如何控制、如何獲得足夠的穩定性和操控性以及如何找到合適的動力。

洛馬的方案

洛馬選擇了單發、單垂尾、三角翼布局作為低音爆驗證方案。

洛馬公司的低音爆驗證方案同波音的方案差別很大，洛馬采用了更加傳統的、大后掠的三角翼布局，單發（翼上安裝）、單垂尾和全動平尾。洛馬公司N+2計劃項目經理Michael Buonanno表示，經過了4年半研究，現在真正到了“該進行飛行驗證的階段了”。

洛馬目前的方案也是經過了多輪的迭代演變而來的。最開始的方案還包括bump式進氣道、分叉式進氣道和V型尾翼在內的多個不同布局。但是，洛馬發現大后掠機翼和V型尾翼在飛行包線內會遇到穩定性和操縱性方面的挑戰。所以，在項目進行到一半的時候，洛馬重新回歸到更加傳統的尾翼布局，這使得它們方案的操縱性和穩定性問題得以更好地解決。

洛馬的方案同樣滿足可縮放的要求，能夠將全尺寸驗證機噪聲峰值頻率控制在8赫茲。并且保持兩者音爆波形的相似。

洛馬的低音爆驗證機方案長24米多，翼展8.5米。最大起飛重量9.9噸，空機重量6.35噸，可裝載燃油2.99噸，洛馬表示這比NASA提出的載重能力高出不少。該方案采用的翼上安裝發動機有很好的降低音爆的效果。在進氣口處，機體對音爆產生了很好的遮蔽作用，并且通過研究我們發現該進氣口對于發動機溢流和任何邊界層擾動并不敏感。在尾噴口處，我們通過大的尾椎角進行噪聲遮蔽。

Buonanno表示，同波音一樣，洛馬也遇到了成本問題，最終選擇了商用貨架發動機，并成功的同機體進行了集成。在許多其他部件和系統方面，洛馬也采用了商用貨架產品，包括來自F-16的起落架等。此外，由于洛馬的方案中，駕駛艙距離機頭有12.2米遠，該方案也采用了合成視景系統。Buonanno表示，洛馬目前的方案自成體系，完全能夠滿足NASA提出的任務需求、音爆指標和配平要求，下一步的工作是繼續使這些概念成熟，為實現下一代超聲速旅行鋪平道路。