空客的超音速客机长成了“四不像”?

作者:谢顿来源:蝌蚪五线谱发布时间:2015-09-07

21世纪的第一个10年后,商业超音速飞行器再次被提上议程,美国宇航局、波音、洛克希德•马丁、空客、达索等都提出了不同的方案,从大型宽体客机到小型公务机,超音速飞行的触角再次进入商业航空的各个领域。

  1947年,美国试飞员耶格尔所驾驶的X-1验证机实现了人类历史上第一次突破音障,到目前为止,超音速飞行已经非常成熟,但仍然局限于军用飞行器。民用航空器的超音速飞行于2003年全面被终止,一代天骄“协和”式客机退出现役,完成了第一代商业超音速飞行。21世纪的第一个10年后,商业超音速飞行器再次被提上议程,美国宇航局、波音、洛克希德·马丁、空客、达索等都提出了不同的方案,从大型宽体客机到小型公务机,超音速飞行的触角再次进入商业航空的各个领域。

1.协和式客机是第一种成功的商业超音速客机'

协和式客机是第一种成功的商业超音速客机

空客超音速客机方案

  近日,空客公司首次曝光了自行研发的超音速客机设计蓝图,结合了英法第一代协和式客机的气动,使用三种不同的发动机构成独特的推进系统。根据空客公司的介绍,这款超音速客机可实现4.5马赫的飞行速度,是协和式客机的两倍,大西洋航线只需要一个小时就能完成。从图中可以看出,虽然空客公司的超音速客机体积很大,但载客量很小,仅为20人左右,属于一种商务超音速客机。空客公司认为自己的方案不仅符合空气动力设计,还实现了控制控制音爆的技术。

图2.空客公司首次曝光的超音速客机效果图'

空客公司首次曝光的超音速客机效果图

图3.搭载了三种不同型号的发动机以实现4.5倍音速飞行

搭载了三种不同型号的发动机以实现4.5倍音速飞行

空客方案的继承与缺陷

  不过,从效果图上看,空客的验证方案与美式客机有着非常大的区别,同时也与协和式客机差别较大。美式超音速客机几乎都使用了发动机后置,机身的空间都用于载客,燃料也分布在机翼油箱或者机身下方的中央油箱。协和式客机也使用了类似的动力系统布局,将涡喷发动机吊挂在机翼下方,可最大化节省机身空间。但空客的概念图却把发动机安装在机身位置,更是采用了可收放的设计,因为空客在这款超音速客机上安装了三种发动机,分别是起飞时使用的涡喷发动机、爬升加力时使用火箭助推。以及巡航阶段的冲压发动机。空客为了实现4.5马赫的飞行速度,将超音速客机打造成了火箭,中置燃料箱就位于乘客座舱的后方。

图4.协和式客机使用了无平尾气动,四台带加力燃烧室的涡喷发动机位于三角翼下方

协和式客机使用了无平尾气动,四台带加力燃烧室的涡喷发动机位于三角翼下方

  从继承性上看,协和客机显然要比这个方案来得优雅,方案中采用了修改过的三角翼,这也是超音速客机普遍使用的机翼。协和式客机、图-144客机、波音早前提出的“音速巡航者”方案中也有类似的设计。别出心裁的是,空客方案的飞行速度非常快,4.5倍音速是目前超音速客机中最快的,接近高超音速的飞行范畴,在吸气式动力前提下,目前也仅有少数几种处于验证阶段的高超飞行器能够实现。三种发动机的配置使得空客的超音速客机在新一代音速巡航方案中显得独树一帜,对于乘客而言,在加力爬升阶段有些像坐火箭的感觉,与协和涡喷发动机全部后置相比,空客方案的噪音一定不小。

图5.波音曾经提出的音速巡航者,机身线条优美,载客量比空客要大'

波音曾经提出的音速巡航者,机身线条优美,载客量比空客要大

美式超音速客机项目进度更快

  在当前主流的超音速设计方案中,空客的超音速客机为了追求4.5马赫的速度,增加了动力系统的复杂性。事实上,发动机仍然是目前超音速客机研发的难题。在超音速客机上使用火箭发动机虽然可提供足够的爬升推力,但是火箭燃料的存储也是个问题,这种方案多用于军用飞行器,比如达索公司幻影IV的火箭助推。事实上,涡喷发动机是高空高速性能较好的动力类型,在波音和洛克希德的方案中都有广泛的使用,至少降低了动力系统臃肿的特点,发动机翼下后置的特点能够降低工作时噪音和震动对乘客的影响。

图6.NASA风洞中的一种超音速客机方案'

NASA风洞中的一种超音速客机方案

  在气动方面,不论是空客还有美式超音速客机,基础气动相差不大,只是对机身的修形存在不同点,因为经风洞测试后可绘制出机身各个部位产生的激波情况,这也是超音速客机设计的关键之处,不同激波位置存在相位上的差异,如果让多道激波相位产生干涉,就能够达到降低音爆的效果,让超音速飞行更加安静,从陆地上空飞过时不会对地面形成音爆干扰。相比之下,美式超音速客机的气动更加成熟一些,波音很早就在NASA格伦研究中心进行了气动测试,第一阶段主要攻关100至150座级的超音速客机,同时NASA近10年来也在研究商业超音速客机的相关技术,比如与通用电气合作测试低噪音的发动机尾喷管等。由此看出,虽然英法的超音速客机的设计上更早,但美式超音速客机方案更加成熟。

图7.俄罗斯设计的图-144后续机型

俄罗斯设计的图-144后续机型

  除了波音和空客这样的商业航空巨头外,一些直线客机的制造商也开始窥视商业超音速飞行领域,它们主打的是超音速公务机。空客前不久提出的方案也属于超音速公务机行列,但机身却异常庞大,与一些小巧造型的超音速公务机相比,仍然有一定的差距。波士顿Spike Aerospace公司设计的S-152超音速公务机可搭载18名乘客,飞行速度1.6马赫,是超音速公务机的典范之一,报价6000万至8000万美元之间,预计在2018年之后试飞。除此之外,还有美国Aerion公司与空客、NASA合作研发的Aerion AS2超音速公务机,最高速度为1.5马赫,超音速公务机有望比大型超音速商业客机更早服役。

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