曾经的辉煌

　　追求超音速飞行是人类长久以来的梦想。上世纪60年代，英法两国联合研制的“协和”客机问世，飞行速度达到两倍音速，标志着这一梦想的实现。

　　1969年，“协和”客机首飞，1976年投入航线运营。“协和”客机可以在15000米的高空，以2.02倍音速巡航，从巴黎飞抵纽约仅需3小时20分钟，比普通民航客机节省一半时间。1996年2月7日，一架“协和”客机仅用2小时52分钟59秒的时间，就从伦敦飞抵纽约，创下了民航运输史上的最快纪录。

　　当时，能够搭乘“协和”客机往返欧美大陆是许多人梦寐以求的事。有趣的是，“协和”客机从巴黎或伦敦飞抵纽约只需3个多小时，而巴黎、伦敦与纽约的时差却有6个小时，如果旅客上午9时从巴黎出发，到达纽约时，巴黎时间为12时，而纽约当地的时间则为上午6时，搭乘“协和”的旅客都会很高兴地说：“我们还没出发，就已经到了！”

　　“协和”投入航线运营后，吸引了一大批常常往返于美国和英法两国间的工商界、政界高级人士和银行家等客人。“协和”客机的服务可以用“优质”、“高贵”来形容，每位乘客都可以免费享用香槟，机上膳食使用的餐具，都是由具有250余年历史的著名制造商生产的陶瓷器和银餐具，在人们的心目中，大大提升了“协和”客机高贵奢华的形象。

　　当然，它的票价也是水涨船高，十分昂贵。虽然“协和”客机的客座数较少，运营成本较高，但仍可盈利。在辉煌时期，英航“协和”客机获利占英航总盈利的25%。自1976年至2003年，英国航空公司的“协和”客机共飞行5万余个班次，累计飞行时间14万多小时，航程22400万公里，搭载旅客250万人次。

　　无奈的瓶颈

　　从技术层面看，“协和”无疑是一架先进的客机，英法骄傲地将其比作一只“完美的大鸟”。看着“协和”又尖又长的机头，人们不难想象其突破音障飞入高空时的英姿。

　　然而，事情总有两面性，“协和”客机由于其优越的高速特性而被人们青睐，但恰恰又是超音速飞行带来的噪声和环保问题，使它陷入难以自拔的困境。“协和”产生噪声的直接原因，就是由于超音速飞行所产生的声爆。

　　声爆是物体在空气中运动的速度突破音速时产生冲击波所引起的巨大响声，它只有在飞机作超音速飞行时才会出现。飞机在超音速飞行时产生的强压力波，传到地面上形成如同雷鸣的爆炸声。声爆的能量巨大，一架低空超音速飞行的战斗机产生的声爆足以震碎门窗玻璃。

　　有人测量过，一架在16000米高空以两倍音速飞行的“协和”客机产生的声爆，对地面产生的压强高达100帕，相当于在一块一平方米左右的玻璃窗上施加10千克的力，玻璃哗哗直响就不难理解了。如果把压强换算成更直观的声强，100帕大约相当于133分贝，而人耳的听觉上限一般是120分贝，超过120分贝的声音就可能破坏耳膜和听觉神经，引起耳聋。于是，声爆问题就成了超音速客机发展的“瓶颈”。

　　由于上述原因，FAA禁止“协和”客机在陆地上空进行超音速飞行，这直接断送了这款飞机的市场前景。2003年10月24日，“协和”客机完成最后一次飞行后全部退出市场。

　　今日的探索

　　针对“协和”的教训，NASA认为，只有降低声爆，才有可能使超音速客机重新回归商业运营。为此，NASA就如何降低超音速客机在突破音障时发出的声爆问题开展了深入研究。这项研究主要分成两大部分：一是制定出一个人们能够接受的低声爆标准；二是设计出一种能符合该低声爆标准的超音速客机。

　　首先，NASA采用目前业界统一使用的“感觉噪声等级”（PLdB）来量化声爆的大小。以“协和”为例，其PLdB的数值达到105，很难被人们接受。研究人员认为，75是陆地上空超音速飞行的可接受值，而NASA则要求将其降到70甚至更低。

　　其次，为了研制出一架能够达到低声爆水平的新一代超音速客机，NASA制定了X系列验证机开发计划。未来10年，NASA在该计划上的投资将超过106亿美元。

　　根据计划要求，洛克希德·马丁研制了“安静超音速技术低声爆飞行验证机(QueSST)”。这架飞机是按NASA提供的价值2000万美元的合同开展初步设计，将在2017年4月进行初步设计评审。然后，NASA将采取公开竞标的方式选择制造商开展QueSST飞机的制造工作，计划于2019年9月完成首飞。

　　QueSST验证机长27.4米，重9.072吨，巡航速度为1.4-1.45马赫，巡航高度为14935-15545米，安装一台带加力燃烧室的GE公司F404战斗机发动机。该机虽然在尺寸上与大型运输机相差不少，但可以模拟100-120座级的超音速大型客机的声压特征。

　　NASA的研究表明，新一代超音速客机使用针状的鼻椎、更加圆滑的机身、三角翼和大后掠角翼，这些气动外形在降低声爆上有着突出的效果。

　　QueSST飞机的设计目标之一,是产生噪声等级仅为75PLdB的S型激波，即正弦型激波，使得激波柔软地撞击地面而不产生声爆。相比之下，“协和”客机产生的N型激波则会猛烈地撞击地面，噪声等级高达105PLdB。

　　在传统超音速客机设计中，分别来自机头、座舱盖、进气口、机翼和尾翼的激波在大气中传播时会聚集，进而产生更强的N型激波。低声爆设计技术就是通过对飞机外形进行优化，使机身不同部位产生强度更小的激波。同时，这些激波也不会产生汇聚。也就是说，将N型激波的压力峰值变小，成为S型激波，从而声音到达地面时会听起来比较“柔软”。

　　QueSST飞机在外形上具有一些明显特征：一个穿越音速时破除弓形激波的细长尖头的机身，一副可屏蔽噪声的小展弦比三角翼，一台安装在机翼上的发动机，鸭翼和用于控制激波的垂尾顶部小平尾，位于细长机身最后端的升力平尾等。

　　这些外形设计的目的就是为了让飞机突破音障时所产生的声爆等级能够达到75PLdB的目标。为了提供升力需求，在机身最后端布置了一个升力平尾，这与常规飞机的平尾为配平力矩而产生向下的力是不同的。

　　此外，洛克希德·马丁公司的设计方案还必须满足可缩放的要求，即要使试验结果与大型飞机具有可比性而需要将QueSST飞机的噪声峰值频率控制在8赫兹，并且保持两者的声爆波形相似。

　　根据目前的进展，NASA预计，符合低声爆标准的新一代超音速客机有望在未来10年左右实现首飞，未来15年内投入使用，人们追求超音速飞行的梦想会在不久的将来真正实现。（文/王维瀚）