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西雅图飞行博物馆Museum of Flight 漫步之四:超音速民航飞机

前不久,美联航宣布要买15架由位于美国丹佛的布姆公司(Boom)生产的新的“前奏曲”(Overture)超音速飞机,现在该公司尚未对超音速喷气式飞机进行飞行测试。但是该公司保证这款飞机符合美国FAA在安全、操作和可持续性方面的种种要求。航空界就此又掀起了超音速客机的话题。此文主要是把这个最新的“前奏曲”和“协和号”的性能做一比较。下一篇博客基本上是我10多年前写的书“飞机,飞行和我”关于“协和号”的摘录。
 
首先,超音速飞行的定义:超音速飞行是指飞机的飞行速度超过音速。即是在18,300米(6万英尺)的高度上,飞行速度每小时1,060公里,马赫数1.0。而波音747的巡航高度是10,000米,飞行速度大概是每小时900公里,马赫数0.85。
 
“协和号”飞机的数据:
 
载客100人,翼展26米,机身62米,机高11米,客舱长39米,宽3米,高2米。空重79吨,最大起飞重量186吨,最大载重13吨。最大巡航速度马赫数2,即每小时2000公里。最大航程5000公里。起飞跑道3400米,着陆跑道2200米。起飞噪音120分贝,进场噪音117分贝。发动机是4台罗罗的斯奈克玛奥林帕斯593 Mk610涡喷发动机。每台推力3.2万磅,加助推是3.8万磅。只有这二张“协和号”的照片来源于西雅图飞行博物馆,其它照片都是网上的。没有可能自己拍照到还没有生产出来的飞机。
 
 
“前奏曲”飞机的数据:
 
标准载客75人,翼展18米,机身62米。最大起飞重量77吨。最大巡航速度马赫数1.7以上(取决于发动机的最后定型),即每小时1800公里。最大航程8300公里。起飞跑道3000米。发动机是3台罗罗的中涵道比的涡扇发动机(不带加力燃烧室的),有可变几何截面进口和噴口,每台设计能力2万镑推力。首次商业飞行计划是2025年。自称音爆比協和式安靜30倍。
 
 
从网上照片上看,从外形上看,“前奏曲”就是小一号的“协和号”,没有什么特殊的改变。当然,机身机翼等等肯定是用复合材料,减轻重量。“协和号”是近似普通客机的2-2客舱布置,而“前奏曲”是1-1客舱布置。所以机身的长度和“协和号”基本一样,但是载客却只有“协和号”的四分之三。超音速飞机,尤其是大型客机,很大的一个问题是在低速时的飞行控制。下一个文章要讲到60年代美苏英法是如何进行三角翼的大型超音速客机的飞行控制。而“前奏曲”的设计基本上还是“协和号”的飞行控制设计,用的是三角翼尾端翼尖下垂的下反角。请仔细看照片。而没有用鸭翼或者可变翼。这二个设计的最大缺陷是增加重量。而重量是飞机设计的最大敌人。
除了布姆公司(Boom)以外,还有二家公司在做超音速客机,一家是Aerion Supersonic的AS2超音速公务机,载客12人,最高巡航速度M1.4。发动机是3台通用电气公司的涡扇发动机。首次商业飞行计划是2026年。公司承諾馬赫数1.2的巡航時不会产生音爆。
另一家是Spike Aerospace S-512超音速公务机,载客12-18人,最高巡航速度M1.6。動力:发动机是2台涡扇发动机。首次商业飞行计划是2025年。
 
讲超音速客机,必须讲二个问题,一个是技术问题,音爆。一个是经济问题,票价,你我能否坐的起?
 
第一个问题,音爆sonic boom。这个布姆公司(Boom)即以此为名。先说音爆是什么?如果读者有兴趣的话,网上有无数的关于音爆的详细专业解释。我这儿是通俗化的解释。日常生活中由于高速运动物体所产生的噪音,比如高速飞行的子弹。速度到了音速时,产生的冲击波叫做音爆。在地面的正常温度15摄氏度时的空气密度一个大气压下,音速是每小时1224公里,每秒340米。当飞机在低于音速时飞行,所产生的声音是向4面传播的。当飞机速度高于每秒340米时,飞机的速度快于声音传播的速度,飞机机头的声波受到飞机的挤压,尾部的声波被扩散。形成一个圆锥体。机头是圆锥体的尖。飞机的声波被压成单个脉冲。飞机过后,声音才传到地面,人的耳朵才感受到冲力,音爆的声音。而地面上的物体都受到声波的冲击。如果足够大的话,可以摧毁地面建筑。
洛克希德公司在3年前得到NASA的2.5亿美金的合同,制造试验飞机X-59 QueSST,时速马赫数1.4以上。将在今年年底之前完工,明年试飞。NASA的要求是其噪音传到地面时,和汽车大力关车门的声音相差无几。要求X-59 QueSST的试飞在居民区的上空进行,而不是仅仅在海面上。而当年的“协和号”是只能在海面上飞行,纽约到伦敦或巴黎,其中在起飞和降落经过居民区时,必须降到亚音速。
有兴趣的读者可以看一下X-59 QueSST的数据。全长29米,翼展将近9米,高4.2米。除了自重和燃料之外,有效载荷270公斤。最使人吃惊的对噪音的要求:不得高于75分贝,目标是60分贝。根据百度对噪音的分级,70分贝以上会干扰对话,影响工作效率。所以60分贝是目标。而这个目标只有“协和号”噪音的千分之一。
 
那么X-59 QueSST是如何做到的呢?根据Wiki上信息,X-59 QueSST减少音爆的关键是机身外形的改变。以前的超音速喷气飞机,空气冲击波从机头到达机尾翼的时候增强,形成两次明显的音爆。而X-59 QueSST的特殊设计,让冲击波离开飞机的时候不汇合在一起。这就意味着冲击波传到地面的时候仍然是分开的,而不是叠加在一起。这样形成的音爆就会比较闷声。据称洛克希德三年前已经在风洞的试验中做到了这一点,这样才得到NASA2.5亿的合同。
 
请注意一下“协和号”和“前奏曲”机身截面积之比。虽然没有“前奏曲”的数据,但是根据机舱座位的布置可以一窥差别。“协和号”每排是2-2座位,而“前奏曲”是1-1座位。而机身长度基本一致。页就是说“前奏曲”机身看起来象铅笔一样,细长。通过减少飞机的截面积,同样也可以减少音障的级别。
 
第二个问题,多少钱一张票?
 
换句话说,怎样的票价才能吸引相对多数的人去为了少飞几个小时而多花几千美元。当年“协和号”飞越大西洋时的票价是普通客机商务舱的4倍。数据显示,2017年的航空旅客人数达到了40亿,其中12%(4.8亿人)的旅客乘坐商务舱。那么如果新的超音速客机能够和商务舱的价格相当的话,就肯定有乘客,也足以让航空公司盈利。这就是美联航预定了15架“前奏曲”新型超音速客机。另外维珍航空公司Virgin Group预定了10架,日航Japan Airlines预定了20架。还有一家匿名的欧洲航空公司预定了20架。让我们拭目以待,希望航空史上的又一个突破。
 
这儿还有其它2家公司的新型超音速客机的照片,当然只是电脑上的照片。可以从照片上看到各家公司的设计还是各显千秋的。



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