超音速悄然归来

2000 年 7 月 25 日，一架从巴黎飞往纽约的协和式飞机坠毁，机上 109 名乘客和地面 4 人全部遇难。这一事件不仅仅是一场悲剧，它似乎是超音速航空旅行悲惨状况的一个隐喻。

自 1976 年首次亮相以来，协和式飞机一直是财富和权力的象征，但技术上却已沦为恐龙。它仍然是唯一一架飞行速度超过音速的商用飞机，但它的燃料消耗量很大，其复杂的 20 世纪 60 年代技术需要大量维护，因此票价高得离谱：从纽约到伦敦的往返票价为 12,750 美元。此外，它还有最大的缺点：协和式飞机的音爆——雷鸣般的双重爆炸可能会震碎下方建筑物的窗户。这限制了协和式飞机只能在水面上飞行。

然而，最近，超音速飞行又卷土重来。湾流公司以制造载着名人和企业高管翱翔天空的飞机而闻名，该公司一直在悄悄地从 NASA 和洛克希德马丁公司聘请航空专家。该公司对那些了解超音速飞机周围空气流动时发生的奇怪现象、熟悉三角形三角翼和耐热材料的专家尤其感兴趣。简而言之，这些人可能知道如何消除音爆。湾流公司的目标是：为富人制造一架可以突破音障、安静到可以随时随地飞行的客机。想象一下早上 7 点离开纽约，飞往莫斯科参加 2 小时的会议，然后及时回家吃晚饭。或者想象一下从洛杉矶飞往纽约只需 2 小时，而不是现在的 5 1/2 小时。

湾流公司的努力与美国军方对开发下一代超音速飞机的新兴趣不谋而合。冷战结束后，军事交战越来越多地发生在远离美国和盟军机场的地区，因此快速抵达目的地已成为一个更紧迫的问题。海湾战争期间，B-52 轰炸机从印度洋迭戈加西亚岛上的美国军事基地起飞，花了 7 个小时才抵达伊拉克。将飞行时间缩短一半将具有巨大的战略价值。考虑到这一点，美国国防高级研究计划局去年与美国三大航空公司——波音、洛克希德马丁和诺斯罗普格鲁曼签订了近 3500 万美元的合同，用于超音速研究。如果 DARPA 从国会获得更多资金，它将从这三家公司中挑选一家来制造一架低音速超音速飞机原型机——所谓的 X-plane——以展示最新技术。

鉴于之前许多尝试都以失败告终，人们目前对超音速飞行的兴趣有些令人惊讶。自 20 世纪 50 年代以来，美国、俄罗斯、法国和英国一直在制造超音速飞机，但迄今为止，还没有人制造出具有商业意义的飞机。最近的一次是 1999 年，NASA 和波音公司放弃了一项为期 10 年、耗资 10 亿美元的联合计划，该计划旨在制造一架 300 座的具有商业可行性的超音速客机。尽管取得了技术上的成功，但波音公司最终认为该项目在经济上不切实际，并退出了。鉴于启动像空中客车 A380 双层巨型客机这样相对简单的项目非常困难，波音公司的老板们不愿向航空公司推销像超音速喷气式飞机这样危险而激进的东西。

尽管如此，如今的超音速研究人员却焕发出新的乐观精神：诺斯罗普·格鲁曼公司的空气动力学家巴纳比·瓦因凡 (Barnaby Wainfan) 表示，他们的目标是“探索一切可能以及稍微不可能的事情”。

降低热臂

湾流公司过去曾有过多次起起伏伏，为什么现在决定追逐超音速梦想呢？因为它认为钱就在那里。湾流公司的客户是世界上最富有的人，他们已经愿意花 4500 万美元购买一架像 Gulfstream V 这样的传统私人飞机。G-Five 是该公司的洲际商务飞机。它设计用于在相对较短的跑道（6,000 英尺）上降落，通过在靠近旅客最终目的地的小型、不拥挤的机场之间飞行来证明其价格合理。但它的飞行速度与波音 747 一样慢。

由于时间就是金钱，湾流公司推测，购买 G-Fives 的那些人会很乐意支付 8000 万美元，让飞行速度提高一倍。全球最大的商务喷气机运营商 Executive Jet 的董事长兼首席执行官理查德·桑图利 (Richard Santulli) 去年告诉《连线》杂志和《纽约时报》，他的公司将尽快购买大量低音速超音速商务喷气机。

但湾流公司仍需克服一个重大障碍：音爆。直到最近，大多数人还认为音爆是超音速飞行不可避免的结果。为什么？一架普通的亚音速喷气式飞机——比如 747——的飞行速度大约为每小时 550 英里。这比音速要慢，音速在海平面为每小时 760 英里，在喷气式飞机巡航的高度约为每小时 660 英里（声音在稀薄的空气中传播得更慢）。喷气式飞机取代的空气通常绕着飞机流动，就像溪流绕着岩石流动一样。但是当飞机超过音速时，空气就不能再轻易地流开了。相反，飞机在穿过时会压缩空气。然后撞击会向大气中发出压力脉冲。

压力脉冲的强度随着远离飞机而减小。但与此同时，脉冲形状发生变化，合并成 N 形波。在 N 形波中，压力急剧上升，逐渐下降，然后迅速恢复到正常大气压。与此同时，一堵以飞机速度移动的压缩空气墙从波中扩散开来。当空气墙经过地面时，人们听到并感觉到了音爆。人耳在 N 形波的前后都能听到压力增加，这就是为什么音爆经常被听成双重爆炸。

低爆研究的重大新闻是，似乎只需改变飞机形状就可以降低爆音强度。首先，小型飞机产生的干扰较少。这是因为音爆问题是由空气置换引起的：飞机靠在压缩空气柱上，飞机越轻，压力就越低。

形状与尺寸同样重要。如果飞机的长度与重量成比例，N 波会传播到更大的距离，峰值压力会更低。此外，如果机翼沿着机身展开，而不是像传统飞机那样集中在中间，压力脉冲凸起较少，轰鸣声也较小。湾流飞机长约 140 英尺，但只能搭载 8 至 14 名乘客。

湾流公司项目高级副总裁 Pres Henne 交叉双臂，演示这些概念。“这里有一个最佳点，”他指着双臂交叉的地方说道。如果飞机相对较瘦，并且飞行高度恰到好处，那么 N 波就不会形成，地面的峰值能量（轰隆声）就会很弱。

问题依然存在：安静到什么程度才算足够安静？没有人真正知道答案。然而，研究人员认为，找出答案其实并不重要。他们没有试图确定可接受的声音阈值，而是决定跳过一步，简单地为轰鸣声设定一个极低的目标。虽然协和式飞机 N 形轰鸣器前部的压力每平方英尺上升 2.1 磅，但新设计的目标是轰鸣器的最大压力上升仅为每平方英尺 0.3 磅。这仅仅是海平面气压的七千分之一——乘坐电梯时，您会感觉到更大的变化。

为喷气式飞机爱好者提供更快的喷气式飞机

湾流公司计划制造的静音超音速飞机的巡航速度将在 1.6 马赫（音速的 1.6 倍，略低于 1,100 英里/小时）和 2 马赫（1,320 英里/小时）之间，在停下来加油之前至少可以飞行 4,600 英里。湾流公司计划在 2006 年开始制造这种飞机，即所谓的静音超音速喷气式飞机，简称 QSJ。

除了克服音爆问题之外，最大的障碍之一是制造价格合理的发动机，不会给机场乘客带来前排金属乐队般的噪音（我们这里说的是普通噪音，而不是音爆）。如今喷气式客机的发动机很安静，这要归功于机头的大型推力风扇，但它们在超音速飞机上不起作用，因为在超高速下，通过风扇的气流速度不足以产生任何推力。

解决方案是什么？最简单的超音速发动机是吸入尽可能少的空气，并尽可能快地将其从排气管排出，但不幸的是，这种设计并不能解决噪音问题。三年前 NASA 放弃的超音速飞机就装有这种类型的喷气式发动机，它需要一个房车大小的噪音抑制器。

通用电气公司设计了一款可变循环发动机，其内部阀门和移动叶片使其能够以三种模式运行。在起飞和降落时——噪音最令人烦恼的时候——这款发动机非常安静，工作原理与当今的喷气发动机非常相似；在加速到 1 马赫时，它的工作原理就像一台简单但噪音很大的超音速发动机；在巡航时，它会采用两者之间的设置。

与此同时，劳斯莱斯提出了一种折衷的发动机设计，勉强满足起飞噪音要求，并且没有任何额外的运动部件。该公司计划采用其为波音 777 客机制造的 95,000 磅推力巨型 Trent 800 发动机，拆除产生大部分推力的风扇，并将其替换为更小、压力更高的风扇。

发动机开发成本不低。然而，劳斯莱斯和通用电气都提议制造超音速发动机，其中最昂贵的部件——高温高压核心与大型传统商用发动机的核心相同，此举将把投资分散到更大的市场。
协和式飞机一直受到环保投诉，它在高空喷出大量氮氧化物，破坏了臭氧层——臭氧层是保护地球上生命免受太阳紫外线伤害的天然大气过滤器。这些有害影响是美国在 1971 年放弃其最初的超音速喷气式飞机计划的原因之一。但这些担忧正在消退。参与 NASA 超音速项目的研究人员设计了燃烧室——发动机中燃烧燃料的部分——产生的氮氧化物更少。其中一些技术已经在亚音速发动机上使用并取得了巨大成功。

但即使技术障碍被克服，政治障碍仍然存在。湾流公司的官员表示，除非美国国防部高级研究计划局开始制造一架演示飞机，并且美国联邦航空管理局表示将修改其禁止超音速陆上飞行的规定，否则他们不会认真投资超音速项目。未经许可飞行，低轰鸣的飞机毫无价值。

设计策略

湾流公司的静音超音速喷气式飞机的设计与该公司现有的飞机有一些共同之处——比如 T 型尾翼和位于后机身高处的发动机——但机身更纤细。它有一个长机头来拉长压力波，还有大而锐利的箭形机翼。机翼可以遮挡来自发动机进气口的冲击波，防止它们到达地面。湾流公司的静音超音速喷气式飞机并不省油，但亨内并不认为这是个问题。“这个市场上的机器不是为最低每座位运营成本而设计的，”他有些轻描淡写地说。也就是说：如果你买得起一架湾流飞机，你就不用担心几吨可怜的燃油了。

DARPA 提出的三种设计方案在外观上与湾流喷气式飞机相比有一点点奇特，也有很大的不同，这是有原因的。DARPA 的目标要远大得多。该机构希望制造一架飞机，可以携带 20,000 磅炸弹或其他有效载荷飞行 7,000 英里而无需加油——对于亚音速飞机来说，这项任务已经很了不起了——速度至少为 1,​​600 英里每小时。“这非常困难，”诺斯罗普·格鲁曼公司项目经理查尔斯·博卡多罗说。“你设定的目标略微超出了你能做到的范围。”但他补充说，“我们已经确定了非常接近 DARPA 目标的技术。”

军方不必像商务喷气机制造商那样担心音爆的减少。美国空军和海军飞行员可以在水面上或西南部的沙漠地区进行超音速飞行训练，而这些地区可以豁免进行陆上飞行。此外，噪音并不是战略劣势——当敌人听到飞机后面的轰隆声时，已经太迟了。但博卡多罗指出，未来的超音速飞机将以最高速度飞行很长的距离，因此如果它们能在军事试验场外进行训练，将大有裨益。不仅如此，DARPA 的职责是开发既可用于民用又可用于军用的技术——因此它参与了安静超音速飞行的开发。

计算流体力学（CFD）已成为研究飞机起落架的必备工具。与电子风洞一样，CFD 使用计算机硬件和软件来模拟飞机周围的空气流动方式。这种方法的功能越来越强大。Boccadoro 说，在 20 世纪 90 年代，“我们可以使用 CFD 来模拟机身本身的声压”，但这并不能让工程师们了解起落架将如何发展。如今，Boccadoro 说，“随着功率和内存的爆炸式增长，我们可以高保真地计算出四倍机身长度的气流。”

如果设计师能够做到这一点，他们就能准确预测悬臂在距离飞机数百个机身长度的地方以及最终撞击地面时产生的共振方式。

今年夏末，诺斯罗普·格鲁曼公司将使用一架经过改装的 F-5E 虎式战斗机来测试该公司基于 CFD 的设计概念，该战斗机的机头更长，机身轮廓也经过了重新设计。F-5E 将以高达 1,000 英里/小时的速度飞越一系列麦克风。工程师们想要知道的是远场效应（地面上测量到的轰鸣声）是否与预测相​​符。如果符合，那么 Boccadoro 的团队和其他团队将顺利设计出未来的低轰鸣超音速喷气式飞机。

协和式 Discord

协和式飞机于 1976 年首次亮相，堪称技术上的胜利，至今仍是唯一的商用超音速客机。然而，由于其震耳欲聋的音爆，协和式飞机被禁止在陆地上飞行，其主要收入来源是往返于纽约和巴黎和伦敦之间——整个航程耗时 4 小时。

这架飞机的飞行速度是音速的两倍，大约每小时 1,350 英里。它可容纳 100 人，但效率低下，运营成本高昂，往返机票价格约为 12,000 美元——相当于一辆新本田思域的价格。（真皮座椅和免费香槟或许能起到一定缓冲作用。）协和式飞机队在坠机后停飞 16 个月，去年年底恢复运营。

1962 年，英国和法国政府同意制造这架飞机，根据一项条约，无论成本上涨多少，任何一方都不会退缩。到 1973 年，大多数航空公司取消了订单。值得注意的是，汉莎航空的技术总监莱因哈特·亚伯拉罕 (Reinhardt Abraham) 表示，如果圣尼古拉斯在他的圣诞树下留下一架协和式飞机，他就不会运营它。这几乎就是 16 架生产型飞机的命运；最后五架以每架 1 法郎的价格卖给了英国航空公司和法国航空公司。