“序曲”奏响 50年后的超声速飞行体验

2022-02-04陈玉洁中国航发涡轮院

环球飞行 2022年11期

文/ 陈玉洁（中国航发涡轮院）

Boom超声速公司研制的“序曲”公务机预计将搭载65～80名乘客，飞行速度将是目前民用客机的两倍，并将使用100%的可持续航空燃料，这将开启航空旅行的未来。不知道会有多少人愿意花5000美元（或等价的里程）来体验一趟这样的超声速之旅呢？

在今年的范堡罗航展上，Boom超声速公司就宣布了其在可持续超声速飞行道路上的重要里程碑。自“协和号”客机在范堡罗首次亮相51年后，经过2600万个小时的模拟软件设计、5次风洞试验、51次全设计迭代的评估，Boom宣布在超声速客机的经济性和环境上可持续性方面取得了重大进展，生产型“序曲”（Overture）客机得以面世。据悉，“序曲”飞机将于2024年投产，2026年开始试飞，2029年搭载第一批乘客。

Boom公司创始人兼首席执行官布莱克·斯科尔表示，“序曲”旨在满足严格的安全和可持续性要求，同时使数千万乘客在全球的600多条航线中能够更高效地旅行。Boom还正在整合当今的规章制度和行业期望，并推动民用超声速飞机从供应链到生产和安全性要求的全方位跃进。

性能特征

Boom在空气动力学、降噪和整体性能等方面进行了一些创新，“序曲”的新构型主要有以下特点：

● 配装4台发动机：4台安装在机翼上的发动机，使飞机能够以Ma1.7的飞行速度在大洋上空进行巡航，以接近Ma1的飞行速度进行陆上巡航。4台发动机在设计上降低了噪声，同时也降低了航空公司的运营成本。此外，发动机的位置也符合最严格的乘客安全要求。

● 工作更安静：在起飞时，“序曲”将使用先进的自动降噪系统。飞机在没有打开加力燃烧的情况下飞行时，能达到与最新的亚声速飞机相同的噪声水平。这些降噪工作将提高乘客舒适度，减少对机场社区的影响。

● 机身外形：根据面积律，“序曲”的机身朝前部直径较大、朝后部直径较小。在超声速时，这种设计可以减小阻力、最大限度地提高燃油效率。

● 海鸥翼：采用海鸥翼构型是为了提高飞机的超声速性能，并改善亚声速和跨声速操纵性能。重要的是，这种构型也有助于确保飞机在任何速度下的安全性和稳定性。

● 碳复合材料结构： “序曲”大量采用了碳纤维复合材料，以高度复杂的曲率加工碳纤维复合材料有助于提高飞机的气动效率，比传统金属结构更轻、强度更高、热稳定性更好。

● 净零碳：从一开始，“序曲”的研制目标就定为净零碳，以100%可持续航空燃料（SAF）飞行，可持续性理念贯穿了设计—生产—飞行和全生命周期循环的所有环节。

Overture 超声速客机参数

顶级供应商

柯林斯公司协助Boom评估和开发了“序曲”的主要飞机系统和部件。双方工程师共同进行空气动力学分析；评估除冰系统，以及外场性能和航程要求的大气数据系统体系结构；双方还合作开发了进气道、喷管和排气系统技术，以促进“序曲”的净零碳工作。两家公司已合作多年，在改进“序曲”的推进系统性能、将飞机噪声最小化方面取得了成果。

伊顿公司和Boom正在开发未来的燃料分配、测量和惰化系统。伊顿公司是深耕军用和商用航空燃油系统领域的公司，为“序曲”发动机的供油率、加油和放油、排气、基本和应急重心控制以及泵性能在内的系统分析方案提供专业技术支持。

赛峰着陆系统公司是首次和Boom合作，技术团队专注于结合最新技术，开发了“序曲”的着陆系统，以提高飞机安全性、优化重量、降低飞机噪声。

“序曲”超声速客机性能指标

巡航速度超声速巡航：Ma 1.7，亚声速巡航：Ma 0.94

航程（满载） 4250n mile（7870km）

搭载乘客 65～80人

外形尺寸机长：61.26m，机高：10.97m，翼展：32.31m

内部尺寸内舱长：24.08m，过道高度：1.98m

机体复合材料机身及机翼

机翼前缘和后缘数字式襟翼控制的海鸥形

飞行控制 2个LRU（现场可更换单元），4×冗余数字式飞行控制系统

动力装置 4台中等涵道比、兼容100%SAF的涡扇发动机

机场社区噪声满足ICAO第14章/FAA第5等级要求

试验和制造

Boom在美国科罗拉多州新建了“铁鸟”试验台，设施面积达到6500平方米，将容纳系统集成实验室（SIL），其中包括“序曲”的首个全尺寸试验模型— “铁鸟”试验模型和功能齐全的驾驶舱模拟器。该公司将在“铁鸟”试验台上对所有关键系统进行试验和验证，以确保飞机的安全性。

试验模型也被称为“铁鸟”，是一个钢结构的形状粗糙的飞机，大约长60m、宽30m，用于测试和集成“序曲”飞行器的飞行部件和系统、软件和硬件。试验台还将配备一个客舱模型和一个虚拟可视化室，该虚拟可视化室采用虚拟和增强现实程序的独特组合，以辅助实现远程设计。

“序曲”超级工厂设在北卡罗来纳州格林斯博罗的皮德蒙特三角区国际机场，这是Boom的首个全尺寸制造工厂。超级工厂将是一个现代化的制造设施，包括最终装配线、测试设施和“序曲”的客户交付中心，预计于2024年开始生产飞机。

动力系统

传统上，发动机技术驱动飞机的设计，除非基于现有的或派生的推进系统，否则飞机机体的研制通常主要由动力装置来决定。因此，发动机试验通常在新机首飞前几年就开始，特别是对于那些具有挑战性性能要求的飞机。

Overture 超声速客机商务舱概念图

Boom试图使“序曲”实现超声速巡航，同时满足严格的国际民航组织第14章/FAA第5等级起飞和着陆噪声限制— 这是2020后进入服役的新客机必须要满足的先决条件。Boom通过将巡航速度由Ma2.2降低到Ma1.7，并选择更实用的4台发动机构型，降低了噪声，并减轻了对发动机要求的压力。

Boom公司CEO解释道，超声速飞行需要大的核心机和更小的风扇，而“序曲”的核心机尺寸已经达到目前的极限。Boom要关注的重点不是发动机技术上的突破，而是发动机工作模式的不同，这暗示着“序曲”设计极可能采用发动机衍生研制的方法。航展上公布的经过重新设计的“序曲”概念图也体现了这一点，发动机似乎包括固定几何形状的外部压缩进气道、延伸的喷管罩和塞式喷管，所有这些都将使现有涡扇发动机的适当改型能够以超声速运转。

低阻力进气道的设计包括一个环形外涵道，它将气流以亚声速的方式输送到风扇的正面— 这是一个非常重要的操作特征。在这种情况下，“序曲”的进气道包括一个等熵压缩整流锥和一个亚声速扩压器，这两者结合起来将进气道的气流从Ma1.7降低到Ma0.6左右，同时为有效地远程巡航提供良好的恢复压力。

概念图显示，除了后掠进口导流叶片外，喉部区域有一个外涵道分流器。这使气流降为亚声速，然后在收—扩通道中将其膨胀到超声速，再从排气通道排出。在低速时，这种旁通流可以提供噪声屏蔽；在超声速飞行中，外涵道将使低总压气流从进气道整流罩唇口形成的激波中转向，同时向风扇叶片的叶尖提供洁净气流。

该构型似乎与罗罗、湾流公司和NASA在2009—2010年静声超声速飞机项目下研究的推进方案具有相同之处。该小型低声爆飞机起飞推力级为68kN，配装Tay发动机，设计巡航速度Ma1.6，飞行高度为13km。而相比之下，尺寸较大的“序曲”主要由轻质复合材料制成，类似的布局可能采用推力更高的BR700/Pearl系列的衍生型发动机。

Boom认为，能在2030年实现进入服役的目标，因为与研制全新的发动机相比，衍生型发动机研制成本和时间都大大减少。这种派生式的研制方法也可能使这个项目可选发动机范围扩大，不只是较大尺寸的罗罗核心机，还包括普惠的PW800或GE的Passport。后者最近在庞巴迪的环球8000公务机的飞行试验中，速度超过了Ma1。

Boom将在未来几个月选定推进系统以及其他主要系统供应商。

未来发展

美国联合航空公司已经与Boom达成了商业协议，将采购“序曲”超声速飞机。根据该协议的规定，一旦“序曲”满足了联合航空公司对安全性、运营和可持续性的要求，该公司将购买15架“序曲”客机，并可选择再购买35架。为了在未来10年不让联合航空公司独占高端客机的优势，其对手美国航空公司也订购了60架“序曲”，其中20架为确认订单，40架为可选。再加上2017年日本航空公司预订的20架，Boom目前的总订单量已达到130架，其中35架为确认订单。

Concorde 协和式客机工程图

“序曲”概念图

2022年1月，Boom宣布与美国空军签署了为期3年的战略合作协议，价值高达6000万美元。协议隶属于STRATFI项目，授予Boom的合同是该项目最大的投资之一，是对发展未来超声速航空的重大投资，这也加快了“序曲”的研发。

2022年7月，在范堡罗航展上，Boom还宣布与诺斯罗普-格鲁门公司达成了一项里程碑式的合作协议，以便为美国政府及盟友研发执行特殊任务的飞机，开发了“序曲”向美国及其盟友提供高超声速运输能力的潜力。两家公司将为“序曲”共同寻找新的使用场景，如开发“序曲”的军用型，以支持需要快速反应的政府和军事行动，包括快速反应监视和侦察、指挥和控制以及流动和后勤任务，如紧急医疗和部队运输。

与上个世纪大名鼎鼎的 Concorde 协和式客机相比，“序曲”的超声速巡航速度已经降低，显然是同时考虑了安全性和经济性。因此得到的结果是，“序曲”客机的一张纽约—伦敦往返机票价格目标设定在5000 美元；作为对比，相同航线 Concorde 协和式客机当初的票价高达20000 美元；后者的飞行时间仅比前者节省了大约半小时。