洛馬啟動安靜超聲速低聲爆X驗證機的初步設計

王元元

除了熱情高漲的創業公司，美國航空航天局（NASA）近年來在超聲速客機研制方面也持續發力。前不久，NASA提出了未來10年投資106億美元的X系列驗證機開發計劃，其中超聲速低聲爆X驗證機成為最先啟動的項目。NASA將通過該項目研究公眾對低聲爆的接受程度，獲取足夠的飛行試驗數據以說服適航當局解除在大陸上空進行超聲速商用飛行的禁令，從而使人類重返超聲速運輸時代。

NASA計劃研制的超聲速驗證機被稱為“安靜超聲速技術低聲爆飛行驗證機”（QueSST）。NASA已經授予洛馬公司臭鼬工廠一份價值2000萬美元的合同，要求后者開展QueSST的初步設計，并在2017年4月進行初步設計評審。然后，NASA將采取公開競標的方式選擇制造商開展QueSST制造工作，2019年9月完成QueSST首飛。NASA商用超聲速技術研發計劃經理彼得·科恩透露，QueSST項目成本預計為3億美元。

QueSST長27.4米，重9.072噸，巡航速度為Ma1.4～1.45，巡航高度為14935～15545米（49000～51000英尺），安裝一臺帶加力燃燒室的GE F404戰斗機發動機。QueSST雖然尺寸上與大型運輸飛機相差不少，但是它可以模擬100～120座級的超聲速大型客機的聲壓特征。

QueSST的設計目標之一是產生響度僅為75PLdB（感覺噪聲級）的正弦型激波，使得激波“柔軟地撞擊”地面而不產生聲爆。相比之下，協和號超聲速客機產生的N型激波則會伴隨著“砰、砰”兩聲猛烈撞擊地面，響度高達105PLdB。75PLdB也是NASA認為的小型超聲速客機可被公眾所接受的聲爆門檻值。

在傳統的超聲速布局設計中，分別來自機頭、座艙蓋、進氣口、機翼和尾翼的激波在大氣中傳播時會聚集，進而產生更強的N型激波。低聲爆設計技術通過對飛機外形進行優化，使得機身不同部位產生強度更小的激波，同時這些激波也不會產生匯聚，也就是說將N型激波的壓力峰值變小，成為S型激波，從而聲音達到地面時會聽起來比較“柔軟”。QueSST的外形具有一些明顯的特征，包括破除弓形激波的細長尖頭機身、可屏蔽噪聲的小展銷比三角翼和翼上安裝單發動機、鴨翼、用于控制激波的垂尾頂部小平尾以及位于細長機身最后端的升力平尾。

洛馬負責QueSST項目的首席工程師邁克·博南諾表示，“我們所有的外形設計都是為了達到75PLdB的目標，但是為了平衡升力需求，有些部位做了折中。在平尾的位置，我們設計了用于控制激波的垂尾頂部小平尾。在機身最后端布置了升力平尾，這與常規平尾為配平力矩產生向下的力是不同的。”此外，洛馬的設計方案需要滿足可縮放的要求（試驗結果與大型飛機的可比性），需要將QueSST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。

由于QueSST機頭非常細長，加之座艙出于保形設計的需要視野不太好，駕駛員需要合成視景系統來輔助進行操作。并且由于該機采用靜不穩定性設計，需要應用主動電傳飛控系統。細長結構的氣動彈性問題也是要考慮的問題。QueSST的關鍵設計要求是要經濟可承受和低風險，因此盡量采用現貨發動機和系統。投資3億美元的QueSST項目飛行驗證的內容預計包括包線擴展飛行，但是不包括或將在2020年開始的公眾反應測試。公眾反應測試主要是利用有人駕駛的X驗證機飛躍人口稠密區，以收集人們尤其是屋里的人們對聲爆的反應數據。這些數據將會被提供給FAA和國際民用航空組織（ICAO），以幫助他們做出解除超聲速跨大陸飛行的禁令。

超聲速X驗證機將會具有2小時的飛行時間，在進行公眾反應飛行測試中將進行2次獨立的巡航狀態聲爆試驗。但是對于可能產生更強聲爆的的加、減速飛行，NASA也在考慮如何利用X驗證機進行低聲爆驗證。