超音速客机离我们还有多远,Boom能成功吗?

超音速客机离我们还有多远,Boom能成功吗?
2019年11月18日 22:30 新浪网 作者 掩耳盗铃的铃

超音速客机离我们还有多远,Boom能成功吗?

引人注目的协和式飞机的起飞过程

从2003年协和式飞机退役后,超音速客机已经离我们渐行渐远。但世界航空工业人士并没有因此而放弃重返超音速飞行的计划。“Boom”只是众多进展中的项目之一:其他的还有Aerion,Spike Aerospace,HyperMach Aerospace,Gulfstream,所有各家公司都在搜索妙方,来打造一架既安全,方便,而且尤其是能为航空公司带来盈利的,愿意采用它的超音速飞机。我们以其中最为著名的美国Boom公司宣称即将服役的Overture超音速飞机为例进行说明。

总体来说,目前超音速客机绝大部分还处于概念设计阶段,离正式商业运营还较远。作者认为,Overture超音速客机应该不能够按照计划2023年投入运营,其中的艰辛还有很长很长的路要走。其中的原因如下:

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美国Boom超音速飞机公司启用的新标志

一、Boom公司只是一家初创公司,实力不允许。

2014年,美国一名经验丰富的软件工程师Blake Scholl在丹佛创立了一家名为Boom的公司。并对外宣称,他们的目标是在2020年拥有第一架预生产飞机,于2023年投入使用。但他们真的能成功吗,我看未必。我们先来看看全球最大的飞机制造商空客与波音的态度。

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Overture飞机模型

空客的态度。2019年11月4日,空客CEO傅里随法国总统马克龙将访华时强调,空客未来发展的主要目标之一是低碳飞行,减少气候暖化为世界带来的影响。现阶段看,超音速客机必然是以大量能源消耗和排放为代价,因此现阶段并不看好超音速商业飞行的未来。

波音的态度。波音公司曾经也确实研发过超音速客机——波音2707,该机是美国波音公司首次开发的超音速客机计划,也是美国历史上至今唯一一种由美国政府直接主导、出资的民航客机研发项目。但至1970年代,因反对超音速客机的声音骤起、研制时遇到技术困难、缺乏明确的市场需求等因素,政府最终在1971年撤销了对这个项目的资金投入,在2架原型机完成之前就中止了整个计划。时至今日,波音公司也一直致力于研发亚音速客机,超音速客机的研发项目仅仅停留在概念设计与技术储备阶段。

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波音2707超音速客机概念图

据了解Boom团队现在拥有员工约100名。而波音公司的总员工数超过17万,空客公司的员工数超过15万,就连刚刚成立没几年的中国商飞,员工数在2016年就已经超过1万人了。飞行器设计、研发所需要的人员专业分工是及其细致的,靠这100多个人的概念设计,还需要太长太长的路要走。

二、资金实力还不够。

我们都知道研发一款新型客机不仅要有强大的人员队伍,还需要有大量的资金支持,甚至经常需要动员国家、政府财政支持才能完成。波音、空客成功的背后无不体现了强大的国家意志。Boom公司成立于2014 年,2017年获得4100万美元的A轮融资,2019年年初获得1亿美元B轮融资。但对于研发超音速客机来说,这些资金还远远不够。在上世纪60年代,协和式飞机的研制成本就超过了10亿美元,而且因为研制成本过高,英、法两国都不能单独完成研制,最终不得不共同出资,联合研发。全球最大客机空客A380的研发成本甚至还超过了250亿美元。

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空客A380飞机的双层结构

这一点,Boom公司还差很远,离2020年拥有第一架预生产飞机,2023年投入使用还相差甚远。

三、行业技术储备还不够。

飞行器在亚音速与超音速的飞行速度下,环境差别特别大。在超音速飞行速度下,阻力、热量和空气动力都会发生改变,而且产生的音爆会严重的损坏飞机的机械强度。正是因为耗油高、噪音大等多方面原因,导致超音速客机退出运营历史。从行业技术储备上来看,超音速客机需要突破的关键技术还太多太多了。

从气动外形上来看。首先超音速客机外载荷更大,对飞机材料和结构的要求更高,特别是对机翼翼根的强度、刚度要求会更高。其次,现在客机主要使用超临界翼型,主要用在跨音速阶段的飞行,不适用于超音速飞行。适用于超音速飞行多是战斗机,这类飞机相比客机展弦比要小得多。所以,还要设计新的翼型。最后,超音速客机控制系统的边界、约束条件相比亚音速客机都有所变化,其飞行控制系统也会有所不同。

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拥有超音速巡航的著名军用战斗机——F-22

从减小噪音上来看。声爆是超音速飞机飞行时产生的冲击波传到地面形成的爆炸声。第一代超音速客机协和式飞机就是由于声爆太强,所以被限制不得在大陆上空进行超音速飞行,这成为其商业失败的关键性因素之一。国际民航组织(ICAO)明确指出:声爆必须降低到可接受的标准,也就是超音速客机声爆≤70分贝,才能在大陆上空飞行。声爆已经成为关乎新一代超音速客机能否被允许投入营运的技术瓶颈问题。发展和掌握精确的声爆计算分析和预测方法是开展超音速客机研究首先要解决的问题,这也是从理论上评价新一代超音速客机设计方案的声爆水平是否达标所需的基本工具和手段。

从减阻技术上来看。相比亚音速客机,超音速客机会有激波阻力,尤其在0.8到1.2马赫之间的跨音速阶段,阻力系数峰值会比0.8马赫以下时大4倍左右。高的阻力系数意味着高的燃油消耗,经济性随之变差。而商用飞机能否持续运营,经济性仍然是航空公司最大的考虑因素。

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由于局部激波的产生,空气受到压缩,飞机阻力急剧增加

从发动机技术上来看。用于亚音速飞行和超音速飞行的发动机也会具有相当的差异。亚音速客机普遍采用油耗和噪声较小的高涵道比涡扇发动机。但超音速飞行则需要采用迎风面积较小、低涵道比的涡喷发动机。因此如何设计发动机使其能够兼顾超音速客机亚音速和超音速两种飞行状态,也是一个技术难点。

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自适应变循环航空发动机

以上问题不彻底解决,困扰超音速客机商业运营的路程还很漫长。目前,各国都在积极开展超音速客机关键技术的预先研究。希望又朝一日能够突破相应技术。让我们拭目以待!

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