超声速客机简史

倪妮

X- 59试验机机身长约30.3米，宽约9米，细长的锥形机头几乎占据飞机长度的1/3。

2024 年1月12日，美国国家航空航天局（NASA）与航空公司洛克希德·马丁公司共同推出静音超声速飞机X-59试验机，它将于2024年内实现首飞。据NASA介绍，X-59的飞行速度预计达到1.4马赫，即声速的1.4倍，时速为1489公里。NASA期望利用这架试验机收集数据，为新一代超声速飞机的商业化应用铺平道路。

半个世纪以前，超声速飞机就实现过商业化。1947年，美国贝尔飞机公司推出火箭动力试验机XS-1，这架飞机之后更名为X-1，在1.3万米的高空飞行时速度达到1.06马赫，成为有史以来全球第一架飞行速度超过声速的飞机，超声速飞机研发的“黄金时代”由此开启。

1960年代，超声速客机的研发项目在英国、法国、苏联和美国等国密集出现，航空业进入大国竞赛阶段。英国和法国签署了共同研制超声速客机的合作协议，研发费用由两国政府平摊，彼时的法国总统戴高乐亲自将该计划命名为“协和”（Concorde）。苏联的超声速客机研究也经彼时的最高领导人赫鲁晓夫和苏联部长会议批准后立项，图波列夫设计局负责研发。1968年，图波列夫图-144（Tupolev Tu-144）超声速客机试飞，英法共研的协和式客机则紧随其后于次年试飞。1976年，协和式客机率先投入使用，其最高飞行速度达到2.04马赫。第二年，图-144客机也开始客运，时速为2.15马赫。协和式客机与图-144由此成为迄今仅有的两款成功商业化的超声速客机。

想要实现超声速飞行，需要做好气动设计，同时为飞机提供足够强劲的动力。飞机飞行时会压缩前方空气，形成的压力波以声速传播，在0.8到1.2马赫之间的跨声速阶段，如果压力波的传播速度等于或小于飞机前进速度，后续的压力波会和已有的压力波叠加，形成激波和音障。所以设计超声速飞机的首要考虑因素就是降低飞机自身的阻力系数，以避免在跨声速阶段形成波阻极大的正激波。

在动力方面，美国国家航空航天博物馆一份获赠的藏品信息显示，协和式客机采用了奥林匹斯593发动机，它最早由布里斯托·西德利公司和斯奈克玛公司专为协和式客机的超声速巡航设计，在1975年获得完全认证，推力达到178千牛，是当时全球推力最大的涡轮喷气式发动机。

商业化应用的超声速飞行能给乘客带来前所未有的体验。如今，从伦敦飞纽约一般需要8小时，而在1996年2月7日，协和式客机从伦敦飞抵纽约仅耗时2小时52分钟59秒。2马赫的巡航速度使得客机能够追上地球自转的速度，从欧洲飞往纽约的航班在太阳落山后起飞，能够赶得上太阳，让乘客欣赏到太阳从西边升起的奇观，英国航空为此还打出了“未出发，先到达”的广告。

不过协和式客机仅限于跨洋航线，原因无他—超聲速不可避免地会产生“音爆”（Sonic Boom），这种超过100分贝的噪音会令地面居民无法忍受。这也是美国缺席超声速客机商业化运营的重要原因。

其实在1960年代，美国也曾急于在超声速客机的研发上赶超英、法、苏的步伐。时任总统肯尼迪宣布政府将赞助超声速客机（Supersonic Transport，SST）的商用开发，但要满足3个条件：技术上必须可行，生产和运营必须具有成本效益，工程师必须防止音爆骚扰居民。然而未曾想，之前被视为“最简单”的音爆问题一直无法有效处理。1971年美国国会终止了SST项目，两年后，美国联邦航空管理局（FAA）禁止民用超声速飞机飞行越过陆地的规则生效，民用飞机的飞行速度不得大于1马赫。

超声速客机研发初期，首要追求的是速度，噪音并不受重视，因为试验场无人聚居，直到超声速技术落地应用，音爆问题才浮出水面。

飞机在空气中飞行有如鱼在水中游，加速时扰动空气的声波像水面涟漪一样向周围扩散，“飞行速度达到或超过声速时，飞机在空气中产生的扰动波叠加变成激波，这个激波传播到人耳中听起来就像是爆炸声”，西安航空学院教师、航空知识博主梁毅辰对《第一财经》杂志解释道。他曾在试验场听到过一架超声速战斗机的音爆声，“就像是一架重型卡车在我附近突然爆胎，胸腔疼痛，还出现了耳鸣”。

964年2月，美国选定俄克拉荷马城开展音爆的耐受性测试，洛克希德F-l04战斗机模拟客机在城市上空飞行，每天都会产生8次音爆声。测试持续了5个月，仅飞行的第一周，FAA就收到了655起投诉。5个月内，居民们忍受了近1200次音爆，投诉信和投诉电话几乎淹没FAA，居民们抗议音爆测试导致家中的瓷器、镜子、窗户破碎，电视接收信号常常被扰乱，一些人神经衰弱到不得不服用镇定剂。公共舆论开始反对超声速客机的推广。

音爆的噪声通常超过110分贝，即使飞机在万米以上的高空航行，地面的居民依然能够听见雷鸣般的噪音。长时间接收超过70分贝的噪音可能会损害听力，超过120分贝的噪音会对听力造成直接伤害。在美国，机场噪声大于75分贝时，周围就不允许新建住宅。

在梁毅辰看来，音爆无法从根本上解决，只能通过尽可能优化机身的外形设计减少空气阻力，从而降低噪音，“减少空气激波阻力的重要设计是让飞机横截面的变化幅度尽可能的小”。

此次NASA推出的X系列飞机也并不能消除音爆，只是通过流线型设计使噪声最小化，让地面上的人难以察觉，“超声速的研究有许多空气动力学方面的突破，比如机头设计成尖头、采用后掠翼或者三角翼、机身设计更修长、腰部收缩等，都是为了减少超声速飞行时的激波阻力。”梁毅辰说。

协和式客机和图-144客机的外观就很相似，它们的机头呈锥形而非亚声速客机的圆润钝形，飞机尾部的三角形机翼也和亚声速客机的宽大翼展形成鲜明对比。

而最新的X-59试验机外形更是科技感十足：机身长约30.3米，宽约9米，细长的锥形机头几乎占据飞机长度的1/3，驾驶舱只能处于机身的中间位置。由于没有朝前的窗户，研发者开发了外部视觉系统，由高分辨率摄像机捕捉外部景象，驾驶员通过驾驶舱内的4K显示器观察外界。NASA方面称，X系列飞机的外形设计可分散多个冲击波并最大程度减弱其累积效应，仅产生柔和的撞击声，类似于关上轿车车门的声音。

2016年，NASA启动“安静的超声速技术”研究，X-59就是最新的研发成果，试飞成功后它会前往更多城市开展声学测试，NASA期望测试数据能够满足FAA的噪声标准，进而解除超声速客机在陆地飞行的禁令。

虽然超声速飞机此前已投入运营，但其商业化的历史很短暂。图波列夫图-144仅执飞过102次商业航班，其中只有55次载有乘客，执飞时间不足一年。1978年6月，一架改装的图-144客机在交付前的试飞中坠毁，苏联民用航空部顺势终止了图-144的客运生涯，协和式客机也在2003年完成最后一次飞行后退出了历史舞台。

除了音爆噪声，运营成本居高不下也是航空公司抛弃超声速客机的主要原因。协和式客机为实现超声速飞行选择了推力强劲的发动机，加剧了燃油消耗，将协和式客机与它重量相近的波音767客机比较，协和式客机平均每公里的人均耗油量几乎是波音767的4倍。正因如此，在环保方面，超声速客机的表现在上个世纪就被认为是“不可持续”的。

面对协和式客机高油耗的缺点，在低油价时代，航空公司还可以通过高票价搭配高端服务的策略保证盈利。在1970年的大阪世博会上，协和式客机拿下了70架的订单。然而，1973年的石油能源危机使得航司开始看重燃油使用的性价比，大部分航空公司撤回订单，只有英航和法航在两国政府的资助下采购了16架。执飞二十余年的协和式客机在历史上共计量产20架，只有14架投入了商业运营。

航线范围的限制叠加燃油成本，导致协和式客机的票价高得惊人。协和式客机从欧洲到纽约的往返机票平均售价高达1.2万美元，在2003年更是一度达到1.35万美元。所以，乘坐超声速飞机“逐日”的奇妙体验注定只能属于少数人，体验过协和式客机的乘客基本是皇室政要、明星与企业高管，英国前女王伊丽莎白二世与黛安娜王妃就曾是协和式客机的“座上宾”。

事实上，超声速客机本身的载客量也很有限。为减少飞行时的阻力，超声速客机应用了流线型机身，这意味着更狭长的机载空间，以及更少的载客量。例如，协和式客机的机身长度为61米，宽度为2.7米，最大载客量为100人。而同时期的波音767-300宽体式客机的长度为54.9米，宽度为5.03米，最大载客量351人。

超声速客机大事记

资料来源：NASA官网及公开资料

航空公司为了经济效益，终归需要考虑更广大的乘客群体，符合噪音标准的亚声速客机或许才是未来客机更切实的选择，其巡航速度大多在0.8至0.9马赫之间。航空公司还可组合国际和国内航线发售机票，将客机利用率做到最大化。

航空咨询公司睿思誉（Cirium）的高级顾问Richard Evans曾分析，常规亚声速客机每年的累计飞行时间平均为4000至5000小时，这是为了摊销每架飞机每个座位的成本，但协和式飞机从未达到这种利用率水平，每年大约只能飞行1000小时。

超声速客机与普通客机的对比

信息来源：中国民用航空局及公开资料

尽管超声速客机仍有音爆、成本效益、环保等问题有待解决，业内依然有乐观玩家在积极尝试，并研发出一系列新技术。

2018年，携程旅行宣布战略投资美国的超声速飞机制造商Boom Supersonic（以下简称“Boom”）。Boom公司设计的Overtune超声速客机计划载客量为64至80名乘客，速度为1.7马赫，是波音787或空客A350等宽体飞机的两倍，这款客机计划在2026年首飞，并在2029年投入商业化运营。

Overture客机被称为“协和之子”，不过Boom公司称，其飞机的运营成本将比协和式客机低75%，从一开始就可以开通全球五百多条航线，而协和式客机直到退役时，航线仅限于伦敦到纽约。Overtune客机的售价为2亿美元，尚未问世就已经收到了130个订单，其中，美国联合航空公司订购了15架，美国航空公司宣布订购20架。

西北工业大学超声速客机研究中心于2019年在《空气动力学学报》发布的论文里，提到了变循环发动机技术，它能够兼顾亚声速和超声速两种飞机发动机的优点，同时实现低油耗和强推力，将成为发展新一代环保型超声速客機的关键技术之一。

有关航空客机的技术研发，除了追求速度，材料也是近些年的研究热门。原先制造飞机的材料主要是铝合金和镁合金，梁毅辰介绍，如今越来越多的客机开始使用碳纤维、玻璃纤维等增强的复合材料，空客350和空客787的复合材料占比已接近甚至超过了50%，未来还可能更高，“复合材料的最大好处就是结构更加抗疲劳，使用寿命可能更长。同时，重量更轻，就会更省油、更环保”。

在低碳节能方面，欧洲宇航防务集团（EADS）在2011年的巴黎航展上推出了“零排放超声速客机”（ZEHST）的概念机，当时预计在2020年开始测试飞行，期望能在2050年投入使用。

美国公司Spike Aerospace则另辟蹊径，计划推出小型公务机，它的在研产品是SpikeDiplomat公务机，载客数量只有18人。该公司称，这将是第一架采用空气动力学设计、拥有独家静音超声速飞行技术的飞机，能够以1.6马赫的巡航速度运行，且不会产生令地面上的人不安的音爆。

相较于超声速客机未来的普遍应用，梁毅辰更看好公务机这一细分领域的商业化前景，“国内的短途航程从3小时缩减至2小时，乘客不一定会买单，但是跨国旅程从12小时缩短为6小时，就可能是本质区别。”