超声速客机的研发进行时

董帼雄

在人类追求飞行速度的历程中，“协和”号飞机是一个绕不开的话题。在2019年的英国纹身节航展上，法国“巡逻兵”飞行表演队还专门在空中摆出了“协和”号的标识，以纪念“协和”号首飞50周年。尽管从商业运营的角度看，“协和”号并不是一款成功的产品，但就当时的技术来看，它却是人类追求速度巅峰的极限之作。

回顾商用飞机的发展历程，从诞生之初的飞行时速不足百米，到20世纪50年代波音707的问世将飞行的速度带入高亚声速时代。尽管此后曾出现过图-144、“协和”号等超声速飞机，却都是“技术成功、商业失败”的产物，商用飞机的飞行速度一直未有质的飞越。但即便如此，人类对于速度的渴望从未停止，尤其是随着新技术日新月异的发展，航空业对于超声速客机的研制热情也与日俱增，以美国、欧洲和俄罗斯为代表的国家都在加速超声速客机的研制。

美国，步步为营的战略

作为传统的航空强国，美国事实上从未彻底中断过对超声速客机的研制。在美国大到美国国家航空航天局（NASA），小到规模只有几十人的初创公司都在进行超声速客机的相关技术研究工作。尽管项目众多，但从总体来看，美国改变了过去想要“一步到位”在性能上全面超越“协和”号的想法，而是有针对性地从小到大（公务机-小型客机-大型客机）、从慢到快（Ma1.6～1.8-Ma2-更快）、由近到远（航程跨大西洋-航程跨太平洋）进行系列化发展。从产品研制进度来看，已有几款产品初现端倪。

阿尔利昂（Aerion）公司的AS系列公务机是受关注度最高的产品。其中，AS2超声速公务机是该公司在“超声速喷气公务机”（SBJ）方案基础上改进发展而来的，飞行速度可达Ma1.4，并安裝了GE公司为其量身定制的Affinity涡扇发动机。2020年9月，阿尔利昂公司开始对AS2公务机进行高速风洞试验，这也标志着该项目朝着2021年实现初步设计评审迈出了坚实的一步。

AS2项目被业界看好的一个重要的原因是，除了GE之外，还有很多传统商用飞机的核心供应商也出现在了AS2项目的供应商名单中。如柯林斯公司将负责开发AS2超声速公务机前缘襟翼、升降副翼、水平稳定器和方向舵的作动系统;BAE系统公司将为AS2项目提供飞行控制系统，这套系统将包括主动接收器、主飞行控制计算机、执行器控制元件和远程电子元件;罗森航空将为AS2项目开发新型客舱管理与技术系统。除此之外，波音也参与了AS2项目，为该项目提供财务、飞机设计、制造、试飞等方面的资源。

值得一提的是，在AS2项目中也有中国企业的身影。目前，阿尔利昂公司已经与中国亚飞太平洋公司签署了战略合作协议，以支持其在亚太地区的市场营销工作，并将运营其AS2超声速公务机。如果进展顺利的话，首批AS2超声速公务机将在2023年投产，投产后前10年的产量预计在300架。

当然，阿尔利昂公司对于速度的追求并不会止步于AS2。2021年4月，公司宣布将在AS2的基础上，研发一款速度可达到Ma4的超声速客机AS3，并且能够实现跨太平洋飞行。公司表示，目前正在收集潜在客户的需求和意见，预计飞机的最大航程可达到13000公里，最大载客量50人。同时，阿尔利昂公司还表示，在AS3项目中，将继续与NASA进行合作。

近年来，NASA对于超声速飞机的研制正在从技术研究向潜在的商业应用转移。在AS3项目中，NASA将重点研究在亚高超声速Ma3～5速度范围内的飞机推进和热管理技术。根据NASA与公司签署的合作协议，双方将通过技术合作来评估推进和热管理技术的参数适用性。通过联合评估，将探索速度Ma3.0以上的影响，并为集成发电和客舱系统方面的支持技术建立解决方案。

另一款在速度上与AS3有得一拼的是Hermeus公司公布的Ma5.0级高超声速民用飞机研发项目。尽管公司还未正式公布这一项目的名称，但其已经明确了相关的技术细节：最大巡航速度Ma5.0、载客数20人左右、最大航程7400公里。

在公司发布的概念图中可以看到，这款飞机采用了大后掠三角翼、无平尾加双垂尾布局，其中三角翼在翼尖部分采用了可弯折变体翼尖设计。由于设计速度要达到Ma5.0，因此Hermeus公司将为这款飞机采用由涡轮发动机和亚燃冲压发动机组合而成的涡轮基组合循环发动机。这种设计可以让飞机像普通飞机一样在亚声速涡喷发动机驱动下从普通机场起飞，然后在飞行中间段可以切换到冲压喷气模式加速到高超声速，最后返回到涡喷模式减速着陆，从而可以在起降过程中无需借助专门的基础设施。Hermeus公司表示，尽管这种组合式发动机研制难度较大，但公司已经成功完成了缩比发动机的验证试验，为项目的后续发展奠定了基础。

欧洲，从未放弃的梦想

2003年，“协和”号飞机正式退出商业运营，但欧洲各国却从未间断过探讨一个问题，那就是该研发一款怎样的产品，使其成为“协和”号的继任者。为了得到答案，欧洲各国一直在进行探索。

最初，欧洲航空业的领军企业空客在2005年提出过这样一种方案，即推出一款载客数在250人左右、最大速度2400公里/小时、最大航程9600公里的大型超声速客机的方案，但最终这一方案未能付诸行动。随后，欧洲又陆续推出了多个超声速飞行器的研究方案，这些方案所带动的技术研究为后来欧洲多个超声速飞机项目的研制奠定了基础。

其中，关注度较高的是2011年由EADS集团发布的巡航速度达到Ma4.0、巡航高度达到32000米的零排放近高超声速运输机（ZEHST）项目。该方案中，这款超声速飞机可以在不同飞行阶段采用3种不同类型的发动机，同时还可以采用新型生物燃料来减少二氧化碳的排放。根据计划，ZEHST将在2021年前后开始技术验证。

另一款明星产品则是英国Hypermach公司推出的“声速星”（SonicStar）超声速喷气公务机，根据设计，这款公务机的最大飞行速度可达Ma3.6。这款产品最大的亮点包括采用了可削减超声速飞行时声爆强度并降低气动阻力的等离子体气动控制技术，以及电动-燃气涡轮混合动力发动机。根据计划，这款超声速公务机将在2021年年中左右首飞，2025年左右投入市场。

除此之外，为了在速度上不输老对手美国，欧洲还在“地平线2020”计划的资助下启动了名为“高速推进概念的平流层飞行应用”（StratoFly）项目，该项目的远景目标是在2035年前将300座级高超声速民用飞机的技术成熟度等级提高到6，并开始进行Ma8.0的飞机方案的风洞试验。

值得一提的是，StratoFly项目中，欧洲不仅仅关注飞行的速度，更关注环保的问题。在该项目中，欧洲计划采用液氢燃料替代传统的航空燃油，这也恰恰符合欧洲当前的氢能源计划。根据欧洲的计划，该项目不仅可以实现3小时从欧洲飞至澳大利亚，同时每客公里的二氧化碳排放量将降低75%～100%，氮氧化物排放量降低90%。

为了实现这个目标，StratoFly项目从起飞爬升到速度达到Ma4.5时，将采用6台涡轮冲压发动机作为动力装置，速度超过Ma4.5后，将切换到双模态亚燃/超燃冲压发动机，最终依靠超燃模态实现Ma8.0的速度。这一设计与SonicStar项目颇为相似。为此，StratoFly项目在德国宇航中心（DLR）的风洞试验室完成了全机模拟的试验，验证了方案的气动热力学特性。目前这一被欧洲寄予厚望的项目仍在稳步推进中。

俄罗斯与日本的奋进

如果说“协和”号是欧洲人的骄傲，那么图-144则是俄罗斯的骄傲。在图-144之后，俄罗斯仍在不断地探索超声速客机实现商用的可能，并曾一度推出过载客数300人、航程1万公里的图-244 超声速客机。但最后由于苏联解体，这一项目最终无疾而终。此后多年，动荡的政治局势让俄罗斯航空工业的发展一度倒退，直到普京政府上台后才重新树立了航空工业在俄罗斯工业发展中的地位。此后，俄罗斯也再次将超声速飞机的发展摆上了议程。

与欧美国家不同，俄罗斯在发展超声速客机时独辟蹊径，其正在探索将军机改型超声速公务机的可行性。例如，目前俄罗斯联合航空制造集团正以图-160战略轰炸机为平台，开发25座的超声速喷气公务机。此外，俄罗斯还计划以米格-29为集成，研制新一代超声速民用飞机的原型机，并设计飞机的飞行速度可达到Ma2.0。为此，2020年6月，俄罗斯茹科夫斯基研究所与俄罗斯工业和贸易部签订了相关合同，将在今年年底前完成超声速客机的概念设计。根据计划，这款Ma2.0的超声速公务机将采用降低音爆强度结构设计，起飞重量约为70吨，航程8000公里，载客数30人左右，预计2026年完成详细设计。

除此之外，2020年9月，俄罗斯政府表示，为了更好地统筹国内超声速飞机项目的发展，已经开始着手筹建国家超声速飞机研发中心。该中心旨在构建先进的低音爆超声速飞机概念设计、空气动力学等相关专业技术知识库，其中包括材料、强度、声学、发动机效率、人工智能等十大核心技术，横跨6个先进技术领域。根据俄罗斯政府的规划，研发中心将着重解决未来超声速飞行领域棘手的技术难题，从而实现低声爆超声速飞机在总体技术、机上驾驶舱装备等方面的创新。目前俄罗斯政府已经组织多个机构共同筹备研发中心的组建工作，主要机构包括GosNIIAS航空系统中心、Gromov飞行测试中心和Baranov飞机发动机研究所等。为了支持该中心的研发工作，俄罗斯政府计划在2020年～2024年间向该中心拨款155亿卢布（约2.05亿美元），政府支持力度可见一斑。

一直以来，日本也是超声速飞机的拥趸。1997年至2006年的十年间，日本航宇研究开发机构（JAXA）支持了“国家超声速运输机验证”计划（NEXST），之后随着公众对于环保的关注度越来越高，日本又启动了后续的“静音超声速技术论证”（S3TD）计划。

在这两项计划中，JAXA以无人机为空中试验平台，对超声速减阻、气动外形优化、复合材料、飞控系统、动力装置等技术进行了验证测试，其目的是使飞行器具备低声爆、低噪音、低排放、超声速巡航飞行能力，从而促进新一代超声速飞机的研制。

除了本国的科研机构积极进行相关技术的研发之外，日本还与美国合作进行了超声速客机核心关键技术的研发工作。如日本航空公司就与知名的初创公司BOOM合作，共同进行50座超声速客机的研发，并获得了20架飞机的优先订购权。

在与BOOM的合作中，JAXA早前的研发成果也将拥有用武之地。在BOOM的多个超声速项目中，将使用发动机进行室外噪声测量试验，以验证JAXA早前持有专利的可变低噪声喷嘴的效果。此外，为了提高对起降噪声有巨大影响的低速空气动力性能，JAXA还推进了增升装置最佳设计技术的研发，并通过试验验证了一系列通过襟翼提高效能的方法。此外，日本还充分利用了其在复合材料研发领域的优势，为BOOM公司的超声速飞机研发了增加复合材料配向角和板厚自由度的最佳设计工具，从而实现为飞机的主翼提供复合材料的最佳结构设计技术。

在拥有了海外项目的研发经验与进一步的技术积累之后，JAXA提出了一种高升阻比、低噪声、巡航速度Ma2.0、载客量200～300人、航程11000公里的超声速飞機方案。如今，在完成了早前的技术积累之后，日本提出的这一设计方案比“协和”号飞机的声爆强度降低50%、噪声降至1/10、氮氧化物排放降至1/4，更难能可贵的是预计运营成本也仅为当前波音747飞机的1.3倍。根据计划，这款被誉为“集大成者”的产品原型机将在2021年正式对外公布。一步一个脚印踏实在超声速飞机领域耕耘的日本，未来是否能在这一领域实现弯道超车，颇为令人期待。