波音高超聲速客機(jī)計(jì)劃：新概念還是“炒冷飯”

陳培儒

過去的一個(gè)多月時(shí)間里，對(duì)于波音公司來說，除了與巴航工業(yè)的并購案吸引了全球航空業(yè)的關(guān)注之外，其第一次公開高調(diào)對(duì)外宣布的高超聲速客機(jī)項(xiàng)目同樣在民用航空領(lǐng)域引起了強(qiáng)烈反響。事實(shí)上，在民用航空領(lǐng)域，超聲速客機(jī)并不是一個(gè)新概念。問題的關(guān)鍵是，此次波音推出的高超聲速客機(jī)能否從紙面變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？它又會(huì)對(duì)民用航空工業(yè)造成怎樣的影響？

最高達(dá)到5倍音速

在2017年的巴黎航展上，波音公司CEO丹尼斯·米倫伯格曾經(jīng)對(duì)媒體表示：“未來10～20年，波音公司的高超聲速客機(jī)有望成為現(xiàn)實(shí)并投入商業(yè)運(yùn)營。”這番話在當(dāng)時(shí)曾引起巨大反響，媒體紛紛將其解讀為波音公司即將開展高超聲速客機(jī)研制的宣言，認(rèn)為波音將很快公開其相關(guān)研制計(jì)劃。但此后，波音一直未對(duì)外宣布關(guān)于高超聲速客機(jī)的研制動(dòng)態(tài)，僅在2018年1月對(duì)外展示了一個(gè)無人版的高超聲速飛機(jī)模型，并且明確表示這個(gè)模型的背景是高超聲速偵察打擊機(jī)。

在2018年6月舉行的美國航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）年度峰會(huì)上，波音公司卻出人意料地首次公開了一個(gè)高超聲速飛行器概念圖。這個(gè)概念圖是一款民用客機(jī)。波音公司表示，這款高超聲速飛機(jī)的速度將達(dá)到5倍音速，這也意味著這款飛機(jī)在倫敦飛往紐約的跨大西洋主要航線上，只需要2個(gè)小時(shí)就可以抵達(dá)目的地。盡管在高聲速技術(shù)尚處于試驗(yàn)階段的今天，很多人認(rèn)為談?wù)撘豢钏俣饶艹^五倍音速的商用飛機(jī)似乎過于科幻，但波音已經(jīng)為這款飛機(jī)設(shè)定了30年的研發(fā)時(shí)間表。

對(duì)于民用航空市場而言，超聲速客機(jī)并不令人陌生。早在20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)圖波列夫設(shè)計(jì)局就研制出圖-114超聲速客機(jī)，并于1975年投入運(yùn)營。幾乎在相同的時(shí)間，法國宇航局和英國飛機(jī)公司也聯(lián)合研制出著名的“協(xié)和號(hào)”超聲速客機(jī)，并于1976年投入運(yùn)營。

“協(xié)和號(hào)”飛機(jī)能在1.5萬米的高空以2.2倍聲速巡航，從巴黎飛至紐約只需要3小時(shí)20分鐘，比搭乘普通民航飛機(jī)節(jié)約了一半的時(shí)間。1996年，“協(xié)和號(hào)”飛機(jī)以2小時(shí)53分鐘的時(shí)間，完成了從倫敦到紐約的航班，這個(gè)紀(jì)錄至今依舊是民航業(yè)飛行速度最快的航班紀(jì)錄。但最終，這兩款飛機(jī)由于高昂的運(yùn)營成本和令人難以忍受的聲爆問題，分別在1984年和2003年結(jié)束商業(yè)運(yùn)營，退出了歷史舞臺(tái)。

雖然從商業(yè)的角度來看，這兩款飛機(jī)是失敗的，但是人們并未放棄對(duì)超聲速客機(jī)的追求。1986年，美國宣布啟動(dòng)“空中快車”計(jì)劃。在這項(xiàng)計(jì)劃中，除了將超聲速客機(jī)定義為新一代航天運(yùn)輸工具外，也描繪了其作為高超聲速客機(jī)的應(yīng)用前景——它能以5倍聲速連續(xù)飛行1.2萬公里，從美國橫跨太平洋飛至東京僅需2小時(shí)。

進(jìn)入新世紀(jì)，越來越多的國家和研究機(jī)構(gòu)開始涉足高超聲速客機(jī)的研發(fā)。2011年，英國Hypermach公司宣布研制“Sonic Star”高超聲速商務(wù)機(jī)計(jì)劃。根據(jù)規(guī)劃，這款飛機(jī)的最大飛行速度將是“協(xié)和號(hào)”飛機(jī)的2倍，飛行高度可達(dá)1.8萬米。2015年，歐洲和日本合作開展了一項(xiàng)涉及高超聲速載人飛行的研究計(jì)劃，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)提出了“JAXA2025”長期愿景，以驗(yàn)證高超聲速客機(jī)以5倍聲速巡航的可行性方案。此外，美國也在進(jìn)行X-43、X-51超聲速無人飛行器的試飛試驗(yàn)，這兩個(gè)項(xiàng)目的最快速度都可達(dá)到7倍音速。

波音的技術(shù)和布局

長期以來，波音一直在通過不同途徑持續(xù)對(duì)高超聲速客機(jī)進(jìn)行研發(fā)投資。近年來，波音先后成功研制并試飛了最大飛行速度馬赫數(shù)9.8的氫動(dòng)力高超聲速飛行器X-43和最大速度馬赫數(shù)5.1的由噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)的試驗(yàn)型導(dǎo)彈X-51。同時(shí)，波音在與國外科研院所的合作方面也是動(dòng)作頻頻。公司下屬的風(fēng)險(xiǎn)投資公司地平線X（Horizon X）對(duì)反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)公司（Reaction Engines）進(jìn)行了投資，旨在利用后者為其高超聲速飛機(jī)提供動(dòng)力裝置。

反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)公司以研制協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SABRE）而聞名于世，其研制的發(fā)動(dòng)機(jī)融合了噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，能在吸氣模式下達(dá)到5馬赫的速度，在太空模式下達(dá)到25馬赫的速度。2018年4月，波音又聯(lián)手英國BAE系統(tǒng)公司和羅羅公司一起對(duì)反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)公司進(jìn)行了新一輪融資，三家公司的投資總額達(dá)到3730萬美元。

與此同時(shí)，波音開始陸續(xù)公布高超聲速ISR軍用飛機(jī)和民用客機(jī)概念方案及研制計(jì)劃，這一方面展示了波音在高超聲速飛機(jī)領(lǐng)域的大手筆，另一方面也暗含著與老對(duì)手洛克希德·馬丁公司的濃烈競爭意味。對(duì)此，《航空周刊》在報(bào)道中是這樣評(píng)價(jià)的：“波音公司此次公布的民用高超聲速飛機(jī)方案是其朝著瞄準(zhǔn)商業(yè)和軍事應(yīng)用的長期發(fā)展規(guī)劃邁出的第一步。這表明波音在高超聲速技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了長遠(yuǎn)而全面的布局。”

目前，波音研究與技術(shù)（BR&T）高超聲速部門的專家正在聯(lián)合波音民用飛機(jī)集團(tuán)（BCA），共同開展高超聲速客機(jī)研究。根據(jù)計(jì)劃，該飛機(jī)將以5倍聲速飛行，巡航高度達(dá)到95000英尺（約29千米），速度是“協(xié)和號(hào)”的2倍，飛行高度也提升了3萬英尺，可以在2個(gè)小時(shí)內(nèi)橫跨大西洋，3個(gè)小時(shí)內(nèi)橫跨太平洋。

在飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)上，波音此次公開的高超聲速民用客機(jī)方案與1月初展示的ISR軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)相似，也采用了大后掠三角翼加雙垂尾布局，前機(jī)身有明顯的突起脊背。但客機(jī)擁有更大的機(jī)艙容積，前機(jī)身更為擴(kuò)展，采用先進(jìn)的鈦合金機(jī)身結(jié)構(gòu)。

波音表示，這一初始外形方案利用了大量公司早前的研究成果，其中包括50年前的波音2707超聲速運(yùn)輸機(jī)項(xiàng)目、1990年代的高超聲速民用運(yùn)輸項(xiàng)目、2000年代早期跨聲速的音速巡航機(jī)概念以及波音從各種低爆和超聲速商務(wù)機(jī)研究中獲得的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

但是，波音至今還未公布更多的細(xì)節(jié)，例如飛機(jī)的載客量、航程等關(guān)鍵信息。由此可見，波音公布的這個(gè)概念目前還處于一個(gè)發(fā)展過程中，概念方面的細(xì)節(jié)未來還會(huì)根據(jù)需求進(jìn)行改變和完善。

在飛機(jī)動(dòng)力裝置方面，由于波音公布的高超聲速客機(jī)與之前的高超聲速軍用飛機(jī)系出同源，所以不出意外的話，兩者都將采用全尺寸渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)，而美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）經(jīng)過長期預(yù)研和論證，已經(jīng)在2016年明確了全尺寸渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)是高超聲速飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的最佳解決方案。

全尺寸渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)是一種通過渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合形成的新型動(dòng)力，涉及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和TBCC集成（核心是實(shí)現(xiàn)渦輪與沖壓模態(tài)的相互轉(zhuǎn)換）三大方面的技術(shù)研發(fā)工作，其難度和復(fù)雜性可想而知。兩年前，美國宣布啟動(dòng)“先進(jìn)全狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)”（AFRE）項(xiàng)目，旨在研發(fā)和地面驗(yàn)證一種能夠在馬赫數(shù)0～5+范圍內(nèi)無縫工作的渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)，以支撐未來高超聲速飛機(jī)的研制。盡管AFRE項(xiàng)目旨在滿足軍方的需求，但對(duì)民用領(lǐng)域有一定的參考意義。

DARPA在AFRE項(xiàng)目中提出的要求是，未來的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)將能夠滿足航程大于1200海里（約2200千米）、速度大于馬赫數(shù)5，且飛行高度大于6萬英尺（約18千米）的高超聲速飛行器的要求。DARPA曾表示，AFRE項(xiàng)目將在2020財(cái)年前后完成全尺寸TBCC模態(tài)轉(zhuǎn)換地面試驗(yàn)，并有望在2025年前后完成基于TBCC的高超聲速飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)首飛。

盡管AFRE項(xiàng)目給出了關(guān)于TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)從研制到投入應(yīng)用的明確時(shí)間表，但需要明確的是，DARPA主導(dǎo)研制的TBCC是為了滿足10噸級(jí)軍用平臺(tái)的需求，對(duì)于商用客機(jī)來說存在明顯不足。就波音公司發(fā)布的新概念來說，如果采用50座級(jí)布局，即使機(jī)身采用大量新材料和新技術(shù)，其最大起飛重量將達(dá)到20噸左右，如果采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能將提出更高的要求。

距商業(yè)飛行有多遠(yuǎn)

對(duì)于飛機(jī)制造商來說，高超聲速客機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營除了要解決一系列技術(shù)難題之外，還要解決乘客的接受能力和運(yùn)營舒適度等難題，而后者要比前者的難度更大。

以乘客感受最為直觀的聲爆為例，聲爆是飛行器在超聲速飛行時(shí)產(chǎn)生的一種大氣聲學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)飛行器突破音障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，這些能量傳到地面，會(huì)產(chǎn)生短暫而強(qiáng)烈的爆炸聲。因此，聲爆的強(qiáng)弱關(guān)系到高超聲速客機(jī)能否被允許在陸地上空飛行，若噪聲問題得不到解決，高超聲速客機(jī)就不會(huì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，也就不會(huì)被大眾所接受。

目前，美國聯(lián)邦航空局規(guī)定，禁止客機(jī)飛行速度超過0.99倍聲速。國際民航組織也規(guī)定，禁止任何民用飛行器制造“聲波干擾”。要想改變現(xiàn)有的民航管理?xiàng)l例，高超聲速客機(jī)必須展示出優(yōu)異的降噪性能。

此外，高超聲速客機(jī)還必須解決相應(yīng)的材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)難題。高超聲速客機(jī)在飛行過程中，機(jī)頭、舵面、機(jī)翼前緣以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、噴管等都具有較高的溫度，而燃料儲(chǔ)藏箱、管道等則需要保持低溫環(huán)境，目前還很難研制出既能熱防護(hù)又能耐低溫的材料。

在筆者看來，10～20 年內(nèi)，這種客機(jī)投入運(yùn)營似乎希望渺茫。綜合美國發(fā)展高超聲速飛行器的歷程來看，其飛行試驗(yàn)就需要10年時(shí)間。在這一過程中還需解決飛機(jī)的全新設(shè)計(jì)、新材料的生產(chǎn)應(yīng)用以及取得商業(yè)飛行的適航證等問題。因此，對(duì)于飛機(jī)制造商來說，要想真正實(shí)現(xiàn)空間的“瞬移”，仍然任重而道遠(yuǎn)。