超音速客机音爆现象的原理、危害与应对

邵文逸

摘 要 航空业发展在促进商品、人员、资金、技术和理念的流动方面具有重要作用。消费者对民航最重要的要求是安全和效率。历史上曾经也有过超音速客机，协和式客机以及图-144客机。然而，它们因为音爆产生的噪音过大等原因，在21世纪初便退役了，未能很好地发挥超音速客机的优点。因此，消除音爆现象的危害成为了超音速客机实现再次应用的关键所在。本文针对超音速客机音爆现象的物理原理和危害进行介绍，对超音速客机音爆削弱现象进行了研究，最后对相关发展做出了展望和预测。

关键词 超音速；客机；音爆现象；音爆削弱

中图分类号 V2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0050-02

我國民用运输正在蓬勃发展之中，仅2016年上半年，中国民航共运输旅客2.3亿人次。最近，中国自行研制的C919大型客机成功试飞，ARJ-21投入商业运行，这标志着我国民用客机的研制更上一层楼。航空业发展在促进商品、人员、资金、技术和理念的流动方面具有重要作用。消费者对民航最重要的要求是安全和效率。然而，目前正在运营的民用客机中，全部为亚音速客机，这极大地限制了出行的效率。

历史上曾经也有过超音速客机，协和式客机以及图-144客机[1]。然而，它们因为音爆产生的噪音过大等原因，在21世纪初便退役了，未能很好地发挥超音速客机的优点。因此，解决音爆产生的巨大噪音成为了研制超音速客机的重要难关。若能解决好这个问题，使超音速客机在飞行中可以降低噪音，使超音速客机能再次普及到民用运输之中，加速民航的发展。

1 超音速飞机音爆的原理

1.1 超音速飞机的特点

超音速飞机为了在超音速飞行时获得较好的机动能力，必须通过改变飞机的外形以产生合理的气动布局。首先，超音速飞机一般有较小的展弦比，常采用三角翼，后掠翼这两种机翼，如F-14，F-111等超音速战斗机便通过采用可变机翼以获得更好的机动性。其次，超音速飞机的翼尖一般较尖，较薄。像翼稍小翼这些用来省油的装置在超音速飞机上是看不见的。最后，超音速飞机的机头比较平滑，呈流线型，机身较细长。因此，像空客A380那样双层宽体客机在超音速客机上很难得以

应用。

超音速飞机对发动机的推力也有要求，过小的推力不足以使飞机超音速飞行。比如美国F-22超音速飞机，它所采用的F119发动机的推重比达到了约10.2，它的推力达到了100 000N。波音737质量比F-22大2.1倍的，它所用的CFM56发动机的最大推力也仅为160 000N[2]。

1.2 音爆现象的物理过程

当飞机的飞行速度达到音速时，飞机的头部便产生激波， 这些激波在传播时相互影响，互相干扰，最后形成两道波，即位于机头的前激波和位于机尾的后激波。这些激波虽然厚度小，但是这两道激波能量大，压强大。被激波激起的空气温度，气压急速变化，造成大量能量损失，导致超音速飞机的速度降低，因此超音速飞行变得非常困难。由于空气的剧烈变化，空气中的水分子凝结成小水滴，围绕在飞机周围，飞机看上去就被笼罩了云雾一样，被称为“音爆云”[3]。

当飞机产生的两道向外传播时，产生的前后激波中，前激波增压，后激波降压。前后激波产生巨大的压力差，当它传播到地面上时，人们会听到巨响的两次声音。同时，巨大的压力可能导致玻璃振动甚至破碎。如果飞机高度低，那么带来的危害会更加严重，甚至导致人耳失聪。

2 音爆现象的危害

当飞行速度达到超音速时，音爆产生的噪音约为130～160分贝。与之对比，人们平时说话时的声音仅为50～70分贝。当人们听到的声音超过90分贝时，听力会受到损害，睡眠会受到影响。当长时间身处噪音达到120分贝的环境时，会人们的听力会受严重影响，甚至引起神经衰弱、血压升高、头疼等疾病。

2010年，台湾嘉义机场举行夏令营，台方出动了F-16战机进行空中演练。F-16低空飞行使附近的居民遭了殃，不仅墙壁玻璃被震碎了，就连日光灯都掉了下来。同样在2010年，一声巨响响彻沈阳，几秒钟后，又一声巨响传出。楼道内的铝合金窗户被震得巨响。路上，停放的机动车警报响起，很多路人纷纷驻足，寻找声音的来源。一名有相关工作经验的人士透露：这样的巨响可以来自途经城市空域的超音速飞机，超音速飞机突破音障飞行时能引发音爆。据后续报道，沈阳的这两声巨响由飞机音爆产生。仅仅两声音爆，便是人们吓得不轻，那么如果人们长时间的接受这样的噪音呢？

对于经常乘坐飞机的乘客，那么耳塞将是的必备品。长时间听引擎的轰鸣声不但会使人难以入眠，甚至会使人变得非常烦躁。对于一些引擎布置在机尾的支线客机，人们在后舱时，巨大的噪音会导致说话都需要吼出来，邻座的人才能听见。当飞机在机场起飞降落之时，你会发现除了航站楼之外，很少会看到建筑物。机场附近的人们肯定受不了每隔几分钟就传来的飞机飞过的声音，早早的搬离了这里。然而，这只是在亚音速的情况下。当超音速飞机普及之后，飞机起降的声音将会进一步加大，飞机的轰鸣声将更加大。同时，由于超音速的飞行，飞机航路上的人们也将受到等同于机场的噪音。如果不能较好的解决音爆削弱的问题，那么可能会导致房屋解构受损，玻璃被震碎等情况，造成经济上的损失。而人们也因为长时间不间断的噪音，不仅听力受损，身体健康也将受到损害，甚至出现精神疾病。

3 音爆现象的削弱

音爆现象的削弱方法经过了几代人的研究与改进，取得了较大的进展。然而，适用于民用运输的超音速客机的技术较少。

3.1 改变飞机外形设计

飞机外形设计中，对飞机外形进行优化设计，利用机身不同位置产生激波的差异，使之部分互相抵消，降低最终传到地面的N形波强度，从而减低音爆的不利影响。2003年，美国宇航局和国防部高级研究计划局合作，重启了音爆研究计划，验证了这个想法的正确性。试验表明，其方案可以将音爆强度降低1/3左右[4]。endprint

增加机鼻长度可以减弱音爆产生的激波，从而减小音爆。2006年，湾流公司（Gulfstream Aerospace）与美国宇航局（NASA）合作开发的、最快巡航速度可达1.8马赫的“Quiet Spike”，就采用增加机鼻长度的设计。“Quiet Spike”以波音F-15战斗机为原型，采用碳纤维复合材料制成的可伸缩机鼻。在飞行的过程中，机鼻可以展开（最长24英尺，约7.3米），成功将前激波转化成3个小的激波，减小了音爆[5]。

3.2 减小飞机体积和重量

其次，减小飞机的重量。重量越大，产生的音爆越强。这样，研制大型超音速客机难上加难，像空中客车A380那样可搭载300～400人的大型客机很难实现超音速飞行。同时，超音速飞行需要的燃油量大，这进一步增加了飞机的重量。为了进一步减少飞机质量，飞机可以采用当代流行的复合材料从实际上减少飞机重量，同时优化飞机结构，减少多余的质量，实现这个目标。美国超音速航空国际公司（SAI）和洛克希德马丁公司（Lockheed Martin）合作研制的“安静超音速公务机”（QSBJ）就是小型飞机。它只能容纳10名左右的乘客，但据说它的噪音却比协和号低得多，对地面的不利影响大大降低[6]。

但是，进过改进后的飛机其自身的结构强度是否能够保证超音速客机长时间的超音速飞行，飞机的寿命能够达到一定要求，这些问题还需要权衡。

3.3 采用新的设计理念

1）利用马赫截止现象。超音速飞机设计中可以试着采用新的理念。据计算，当飞机速度为1.15马赫左右，飞行高度1万米时，产生的激波会在约1 500m（具体的数值与大气温度和飞行高度和速度密切相关）高度处向上反弹，这一现象被称为马赫截止现象。利用马赫截止现象，将飞机的外形进行改进，降低音爆产生激波的强度，从而减弱音爆，但是实现这个目标也非常艰巨，若这个设想真的能够实现，这也是极好的。

2）利用音爆聚集现象。利用音爆聚集现象，即通过控制超音速飞机加速、减速时形成的强烈的“超级”音爆，将音爆产生的声音，能量全部集中到沙漠或者大海的某一个地方进行释放，这个想法虽然好，但是实行起来也会变得非常困难。如何实现这个现象是其次的，但是世界上飞机的航线许许多多，如果都设立这些区域的话，那么将会是极大的资源浪费。如果采用单一航道，那么空管的工作量会大大增加，每天的航班量将受到很大的限制，甚至发生空中撞机

事件[7]。

3）其他设想。或者，采用发射的方式，将飞机像炮弹一样抛射出去并达到超音速。之后再展开机翼，依靠自身动力飞行，滑翔降落。这仅仅是个人的猜想，达到这样的水平还需一定的水准。

4 结论

超音速客机若能应用于民航，将会极大提高出行效率，对经济社会发展产生有力的推动作用。飞机超音速飞行中存在音爆问题，巨大能量的释放会对地面人员和设施造成不利的影响，这限制了超音速客机的应用。超音速客机音爆是一个涉及到飞机外形设计、流体力学和声学等多因素的复杂问题，学界虽然提出了许多设想，但还有待于进一步深入研究

验证。

参考文献

[1]宋丰.超音速飞机如何实现音爆[J].军事文摘，2016（22）：56-57.

[2]朱自强，兰世隆.超声速民机和降低音爆研究[J].航空学报，2015（8）：2507-2528.

[3]王婷婷.超音速客机何时再出发[N].科技日报，2013-05-16（005）.

[4]冯晓强，李占科，宋笔锋.超音速客机音爆问题初步研究[J].飞行力学，2010（6）：21-23，27.

[5]黄培昭.以军“音爆”炸加沙[N].人民日报，2005-11-08（003）.

[6]吴生.超音速飞机防“音爆”换新“鼻”[N].大众科技报，2003-10-14.

[7]吴文权.噪音和音爆[J].力学情报，1972（12）：14-21.endprint