波音和洛马披露超声速概念方案细节

王元元

空气动力学的物理原理决定了无论采用何种外形和动力，只要飞行速度超过声速就会产生音爆。但是，降低音爆强度的技术已经研究了很多年。近日，波音和洛克希德·马丁首次披露了他们各自的超声速低音爆验证机的设计细节。

NASA认为，经过波音和洛马为NASA设计的低音爆验证机研究，现在进行全尺寸的低音爆演示验证的时机已经成熟，更重要的是，可以通过全尺寸的低音爆演示验证来测量公众对音爆的接受程度。目前，美国的法律禁止超声速跨大陆飞行，因此开发一个可行的超声速运输机——无论是航线飞机还是公务机——都取决于公众的接受程度。

NASA航空研究任务事务部基础航空计划下高速项目的经理彼得·科恩说：“我们认为是时候该进行飞行演示验证了。总的来说，我们的工作展示了我们找到了一条正确的研制环境可接受超声速飞机的道路，NASA对此也感到非常兴奋。我们已经做好了进行下一步工作的准备。我们认为下一步的工作是要进行低音爆的飞行演示验证，这是确保美国的航空航天领导力和开发未来超声速飞行市场的重要举措。”

在上个月于亚特兰大举行的美国航空航天学会2014年年会（AIAA 2014）上科恩表示，“NASA对重新开启X验证机计划非常感兴趣。他们想利用X系列飞机作为一个低成本的验证手段。”但是，投资这样一个验证机需要很多步骤，NASA计划在2015财年寻求资助。科恩表示：“这是一个漫长的过程，我们仅仅开始了第一步。我们现在必须获得项目授权，并寻找合作伙伴，然后才能验证音爆是可以接受的。”

作为超声速研究计划第一阶段（2013～2017）的项目，NASA授予波音和洛马公司低音爆概念演示验证合同，目前双方披露了各自的研究成果。NASA授予合同的总体目标是：一个有人驾驶、能够昼夜飞行、巡航速度不低于马赫数1.4、巡航高度15240米的超声速飞机。同时，要求该机最优音爆水平达到飞行轨迹下不高于75PLdB，飞行轨迹侧向不高于70～75PLdB。这些指标都远远小于“协和”的105PLdB。科恩表示：“我们已经完成了第一阶段的任务，并且获得了技术可行、经济可承受的概念方案。我们现在要开始优化这两个布局，并考虑如何将这两个方案结合在一起研制全尺寸验证机。”

波音的方案

波音独特的低音爆验证机概念采用了双斜尾和翼上安装加力燃烧发动机布局。

波音的低音爆验证方案的特点是：大后掠机翼、双斜尾、细长针状机头和双发翼上安装发动机。波音低音爆飞行演示概念方案主要研究人员Tony Antani表示：“我们的出发点是基于NASA的N+2代飞机的研究基础，但是N+2研究是全尺寸的。为了降低成本，我们进行了缩比，安装了商用货架发动机，并重新设计了整个机翼。我们完成了所有的外形优化设计，但是同时满足可感觉噪声、低音爆和最小化配平要求三项指标、获得三者之间的平衡是充满挑战的。波音的方案采用了双余度液压和电力系统，发动机引气驱动环控系统，低涵道比加力燃烧涡扇发动机，双余度飞控系统作动器和安装在机身中部的驾驶舱。驾驶舱罩、驾驶舱系统、主起落架和前起落架都来自其他的飞机，例如，三轴飞控系统就来自波音的‘鬼眼氢动力无人机。由于驾驶舱位置靠后，显示系统采用了增强和合成视景系统以帮助完成起降阶段的操作。”

Antani说：“我们研究了不同的马赫数的方案，确定最佳巡航点在1.4和1.6之间。对于噪声来说，我们目前能获得0.5dB的裕度，我们还在继续努力提高噪声裕度。”

一个关键的设计挑战是如何将目前的缩比验证方案可追溯地放大至全尺寸方案。外部可感噪声低于75PLdB是一个关键的目标。验证机的尺寸对于噪声峰值频率在哪出现具有很大的影响。Antani说：“NASA的一个主要要求是展示低频噪声对地面建筑物的影响。这就要求峰值频率低于10赫兹，我们的设计方案满足这个要求。”

Antani还表示，我认为“我们的设计结构上是可行的，并且有合理的表面标准。颤振裕度也足够，阵风载荷并不大。所以我们非常满意我们提出的方案。”尽管如此，波音的设计团队还在努力解决4个大的风险问题，分别是75PLdB的噪声上限如何满足、项目成本如何控制、如何获得足够的稳定性和操控性以及如何找到合适的动力。

洛马的方案

洛马选择了单发、单垂尾、三角翼布局作为低音爆验证方案。

洛马公司的低音爆验证方案同波音的方案差别很大，洛马采用了更加传统的、大后掠的三角翼布局，单发（翼上安装）、单垂尾和全动平尾。洛马公司N+2计划项目经理Michael Buonanno表示，经过了4年半研究，现在真正到了“该进行飞行验证的阶段了”。

洛马目前的方案也是经过了多轮的迭代演变而来的。最开始的方案还包括bump式进气道、分叉式进气道和V型尾翼在内的多个不同布局。但是，洛马发现大后掠机翼和V型尾翼在飞行包线内会遇到稳定性和操纵性方面的挑战。所以，在项目进行到一半的时候，洛马重新回归到更加传统的尾翼布局，这使得它们方案的操纵性和稳定性问题得以更好地解决。

洛马的方案同样满足可缩放的要求，能够将全尺寸验证机噪声峰值频率控制在8赫兹。并且保持两者音爆波形的相似。

洛马的低音爆验证机方案长24米多，翼展8.5米。最大起飞重量9.9吨，空机重量6.35吨，可装载燃油2.99吨，洛马表示这比NASA提出的载重能力高出不少。该方案采用的翼上安装发动机有很好的降低音爆的效果。在进气口处，机体对音爆产生了很好的遮蔽作用，并且通过研究我们发现该进气口对于发动机溢流和任何边界层扰动并不敏感。在尾喷口处，我们通过大的尾椎角进行噪声遮蔽。

Buonanno表示，同波音一样，洛马也遇到了成本问题，最终选择了商用货架发动机，并成功的同机体进行了集成。在许多其他部件和系统方面，洛马也采用了商用货架产品，包括来自F-16的起落架等。此外，由于洛马的方案中，驾驶舱距离机头有12.2米远，该方案也采用了合成视景系统。Buonanno表示，洛马目前的方案自成体系，完全能够满足NASA提出的任务需求、音爆指标和配平要求，下一步的工作是继续使这些概念成熟，为实现下一代超声速旅行铺平道路。