超音速客機想再次上天？解決音爆是首要問題

據國外媒體報道，距離世界第一家超音速客機協和式飛機退役已經有15年的時間。而現在，包括初創企業的諸多航空公司已經開始行動起來，期望超音速客機再次飛上藍天。

協和式飛機Concorde Alpha Foxtrot已經有15年時間沒有飛上藍天了，但它看起來仍然像是從遙遠未來而來的飛行器。

當你走進位於英國布里斯托爾的航空博物館時，你會立刻注意到Alpha Foxtrot協和式飛機那引人注目的性感線條。尖銳的機鼻向後延展開來，變成了細長的機身，寬大的三角狀機翼略微傾斜向地面。再往後，流線型的短艙內隱藏著巨大的發動機和傾斜的尾翼塔，尾部逐漸變細匯聚成另一個點。雖然協和式飛機運營的時間不長，但卻代表了一個時代的驚人技術進步。

如果你後悔自己沒有乘坐過迄今為止唯一的超音速客機飛越大西洋,現在你所能做的只是坐進Alpha Foxtrot飛機的客艙，或者其他一些分布在世界各地博物館裡的協和式飛機，感受其曾經的輝煌。

是的，你只是在體驗。但事實上，目前幾家公司正在努力將超音速商業旅行的夢想帶回現實。這份名單中，既有像洛克希德·馬丁公司這樣的老牌航空航天公司，也有不少初創企業。但它們都有一個共同的目標:設計一種比協和飛機更廉價、更安靜、更環保的超音速客機，同時盡量減少音爆帶來的麻煩。最後一點是最複雜的，每個公司都在以不同的方式開展這項工作……但改變是在空氣中，或者至少是在跑道上。

解決低空音爆問題

距離洛克希德·馬丁公司製造第一架L-1011客機已經過去了近半個世紀，但該公司現在正在考慮重返商業航空領域。通過與美國國家航空航天局(NASA)在4月份宣布開展合作，該公司目前正在建造一架試驗飛機，設計出一種能以超音速飛行的安靜飛機。該項目名為低音爆飛行驗證機（Low-Boom Flight Demonstrator，也被稱為LBFD或X-59 QueSST），計劃於2021年進行首次飛行，其可能是超音速客機回歸的第一步。

洛克希德公司LBFD項目經理彼得·約西菲迪斯(Peter Iosifidis)表示，要使超音速旅行在經濟上可行，減輕陸地上空的飛機音爆影響至關重要。只有在超音速飛行時更為安靜，美國和其他國家的政府才會考慮修改限制或完全禁止商業航空在陸地上空超音速飛行的立法規定。這些規定限制了協和式飛機只能在紐約、巴黎和倫敦之間飛行，使其失去了全球客戶群體。

他說:「如果你沒有一架低噪音的飛機，而只是在海上才能實現超音速飛行，你就限制了超音速飛機在任意兩個城市之間的飛行。只服務全球三分之一人口的商業模式最終是行不通的……你必須讓全球所有客戶滿意。」

為了緩解超音速飛機的噪音問題，洛克希德·馬丁公司和美國國家航空航天局都承諾LBFD的音爆將比協和式協和式飛機所發出的雷鳴般噪音要安靜得多，他們堅持，這種驗證機的音爆聽起來更像是汽車門砰的一聲關上的聲音。對於地面上的LBFD觀測者來說，即便他們注意到什麼東西，也只能觀察到非常緩慢的氣壓上升，而不是形成協和式飛機音爆的兩個劇烈壓力脈衝。

「還有其他因素可能會起作用，比如大氣條件和背景噪音，」約西菲迪斯說。「你甚至可能無法區分(聲音)到底是音爆還是車門砰的一聲關上了。」

製造LBFD飛機的關鍵在於它的外形設計。長而尖的機頭，銳利的側翼和鴨翼形狀的布局(主機翼前擺的小機翼)能夠確保飛機以超過1馬赫速度飛行時產生的單個壓力波不會會聚在一起，從而也導致傳統的音爆。除此之外，LBFD和其他超音速飛機並沒有很大區別。它不是由特殊的材料製成，使用的也是通用電氣現有的F414發動機。

「音爆高低直接取決于飛機的形狀，」約西菲迪斯說。「如果飛機更短，我們就無法像我們設想的那樣將這些衝擊波分開。」

LBFD上的機鼻是如此尖銳，以至於駕駛艙並沒有慣常的開闊視界。所以這款驗證機並沒有採用擋風玻璃，而是使用一個叫做外部視覺系統的監視器，美國國家愛航空航天局會向該型驗證機提供此類系統。事實上，協和式飛機的長鼻子也出現了類似的問題。但設計人員在著陸過程中讓機鼻下降，讓飛行員能夠看到跑道，從而繞過了這個問題。

美國國家航空航天局商業超音速技術項目項目經理皮特科恩（Peter Coen）說，在此次合作中，美國國家航空航天局的任務是設計使超音速客機再次成為現實的通用技術。至少目前看來，最終誰將使用這種技術製造出一架載客飛機並不重要。

科恩說:「我們的目標是讓超音速客機能夠高效地在任何航線上飛行，同時也也更加環保。我們正在推廣這項技術，希望整個航空航天業可以利用這項技術製造出超越協和式飛機局限性的成功產品。」

2006年，美國國家航空航天局利用現有研究重新啟動了超音速飛機的音波衰減研究。自上世紀60年代以來，相關的航空設計和數學研究一直在穩步推進。早期的一個步驟是製造出20英寸長的LBFD設計模型，並預測音爆到達地面時的強度。

科恩說:「我們真正想要的是音爆傳導到地面時帶來的噪音儘可能低。我們發現了最好的方法……就是控制每個衝擊波的強度和位置，使它們在強度上相對平衡。」

洛克希德·馬丁公司和美國國家航空航天局將於明年在位於加州帕姆代爾的洛克希德公司臭鼬（Skunk Works ）工廠開始建造第一架驗證機。臭鼬工廠往往以生產美國空軍最隱秘的飛機而聞名，其中包括U-2偵察機、F-117夜鷹戰機和SR-71黑鳥戰機。

在首次試飛以驗證LBFD的適航性之後，洛克希德公司和美國國家航空航天局將開始在人口密集地區進行超音速飛行，以確保飛機的聲學性能達到設計水平，並收集公眾對超音速飛機低空飛行的反應。目前，這些測試計劃將於2022年在愛德華茲空軍基地附近開始。

科恩說:「我們真的希望得到儘可能廣泛的回應。我們想知道反覆進行超音速的飛行的影響是什麼。」

音爆問題

音爆是當飛機超音速飛行時產生的衝擊波。如果你想要飛機的飛行速度超過音速，那麼根本就沒有辦法繞過音爆。

在飛行過程中，飛機將空氣分子推開，產生一系列的壓力波,以聲速（1馬赫）朝各個方向移動。當飛機的速度接近音速時,這些波的速度開始無法超越你的飛機，它們開始壓縮在一起，形成一個錐形的衝擊波。這就像船在水中移動時的狀況：在船速足夠慢的情況下，船頭產生的波浪比船速度快，會保持在船頭前面。但是一旦船開始快速移動，波浪就無法前進並開始形成尾流。

當一架飛機突破音障時，衝擊波錐會輻射開來，然後從飛機向下和向後輻射到地面。衝擊波本身呈「N」形狀，氣壓突然上升，接著氣壓突然下降，然後又恢復正常。氣壓變化導致地面上的人聽到兩聲巨響，這就形成了音爆。飛機離地面越近，產生的音爆就越大。

一個常見的誤解是，飛機只有在突破音障時才會產生音爆。相反，音爆是飛機在超音速飛行的整個過程中產生的連續效應。所以，如果你從紐約乘超音速飛機去洛杉磯，當你從頭頂飛過時，在飛行航線下的所有人都會聽到巨大的轟鳴聲。

由於音爆會影響到公眾，干擾野生動物，打碎玻璃和破壞舊建築物，商業超音速飛行幾乎從一開始就註定了最終的失敗。1964年，美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration)在俄克拉荷馬城上空進行了一系列測試，以觀察音爆對人口密集地區的影響。在6個月的時間裡，空軍飛機在白天產生了1253個音爆。

儘管居民們一開始是願意接受檢測的，但在最初兩個月後，投訴和有關音爆造成破壞的報告就急劇增加，最終導致該項目提前結束。對音爆的反對，尤其是來自環保人士的反對，從那以後就越來越多。同樣，協和式飛機在1969年開始試飛，7年後開始客運飛行，這期間一直面臨著來自全世界的抗議。

關於商業超音速飛機的熱潮

而其他致力於恢復超音速商業飛行的公司則採取了不同的方法。總部位於波士頓的Spike Aerospace公司也在開發一種低音爆的飛機，其S-512超音速飛機是一種可容納18人的商務噴氣式飛機。

Spike Aerospace總裁兼首席執行官維克·卡喬里亞(Vik Kachoria)表示，他的公司之所以選擇研發小型飛機有兩個原因:商務客戶比普通客戶更願意花錢乘坐超音速飛機，而且它對設計的挑戰也更小。和LBFD一樣，S-512部件的形狀對於減輕音爆影響也起了很大作用。

卡喬里亞說:「(減輕音爆影響)真的非常非常困難，尤其是在大型航空飛機上。那麼，對我們來說，解決方案就是製造一架更小的公務機。更小的外形，更短的長度和更輕的重量都是減少音爆的重要因素。

S-512預計將在2019年進行首飛，其音爆給地面帶來的噪音應該不會超過75分貝，或者說比正常的通話聲稍微大一點。相比之下，協和式飛機的音爆給地面帶來的噪音大約是105分貝。

「(傳統的)音爆可能有點令人不安，特別是如果你沒有預料到它的情況下，」卡喬里亞說。「在航空展上你往往已經做好了準備，所以這一點很有趣。」

回到內華達州里諾市，Aerion Supersonic公司也選擇了開發公務機，但這種飛機並沒有標誌性的低音爆外觀設計。相反，Aerion Supersonic公司研發的AS2公務機將利用一種被稱為「馬赫截止速度」的現象，這將使它能夠以1.2馬赫的速度飛行，而不會產生音爆。

在以「馬赫截止速度」(Aerion將其稱為「消振巡航」)飛行期間，當衝擊波進入巡航高度以下較溫暖的大氣層時，將會向上折射。該公司表示，這種方式意味著AS2的成功並不依賴於尚未得到驗證的低音爆設計技術。

Aerion Supersonic公司執行董事長兼首席執行官布賴恩·巴倫支(Brian Barents)表示:「Aerion Supersonic公司飛機高效的關鍵在於其領先的機翼技術，可以有效減少阻力和燃料消耗。」

目前，Aerion Supersonic公司正與洛克希德公司合作設計AS2，計劃將在2023年進行首飛。而科羅拉多州的一家初創公司Boom Technology表示，它將研發一架可搭載55人的超音速飛機，其在超音速飛行時要比協和式飛機安靜30倍。

Boom多次拒絕接受採訪或透露更多計劃細節的請求。

繁榮之前

但即使是低音爆飛機在美國也面臨著一個巨大的障礙：自1973年以來，美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration)已經禁止在美國上空進行民用超音速飛行。讓美國聯邦航空局解除禁令需要兩個步驟。首先該機構需要為音爆確定一個可接受的噪音水平，而每家公司都必須證明其飛機的噪音不會超過這個水平。

美國國家航空航天局的科恩說，他希望美國聯邦航空局的規定能夠更符合國際民用航空組織(ICAO)關於音爆的相關要求，而美國以外的大多數國家都遵循這一規定。事實上，國際民用航空組織並沒有完全禁止在陸地上空進行超音速飛行，而是禁止傳導到地面的雜訊過大。

他表示:「我們希望用更高的認證標準取代禁令，就像是現在用於起飛和降落噪音的認證標準一樣。從本質上講，如果飛機比這安靜，你可以證明它，就能獲得認證通過。」

儘管美國聯邦航空管理局尚未討論其政策的任何變化，但在2018年的聯邦航空管理局重新授權法案中，國會要求該機構著手恢復民用超音速飛機業務。

但即使這一過程需要10年時間，約西菲迪斯表示，如果美國航空業想保持競爭力，政府必須堅持到底。

他表示:「政府有責任主動推翻這一禁令，並向一個新的超音速飛行商業市場開放國內航空業。如果我們不這麼做，那麼其他國家這麼做只是時間問題。」

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