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百年飛行夢,從萊特兄弟到超音速飛機
流覽次數:789    添加時間:2018/10/29    來源:美國明石財富管理

本文編譯自航空業專業雜誌《Australian Aviation》想投資下一個獨角獸?超音速飛機稀缺投資機會,現已開放!



追溯歷史

當萊特兄弟于1903年首次飛行時,他們在天空中僅停留了12秒飛行了37米。如今百米飛人尤塞恩博爾特能以三倍的速度跑完其三倍的距離。有意思的是,這具有歷史意義的37米的飛行距離也正是波音737的翼展長度。
 
萊特兄弟在天空如此短暫的停留激發了人類不斷挑戰更高、更快、更遠的勇氣。在60年後,航空業似乎進入了一個新的紀元-商用超音速飛機。過去歷史表明超音速飛機的發展並不是一帆風順的,但在21世紀的今天,歷史將會被改寫。



天空中的一堵牆

當閃電在遠處撞擊地面時,我們會在幾秒以後聽到“破裂”的聲音。類似於光,聲音是以波的形式傳播的,但兩者速度不同,閃電就是最好的例子。

對於飛機發展的最初十年,音速或者聲障並不是問題。飛機與其產生的聲音在頭頂呼嘯而過。這些都是發生在亞音速飛行的時代。即便如此,飛機飛過的聲音從高到低的音調變化也引起了一些注意。

聲音的這種變化被稱為多普勒效應,因為在運動的波源前面,波被壓縮,波長變得較短,頻率變得較高;在運動的波源後面時,會產生相反的效應。波長變得較長,頻率變得較低。

接著讓我們來理解一下馬赫的含義。音速在海平面上約為1,190公里每小時,真實的情況是聲音速度會隨著環境的改變而改變。因此,隨著飛機對速度的追求越來越快並朝向聲障,飛機的速度被賦予了馬赫數。該數位將其速度描述為相對於環境條件下的音速的比率。例如,以0.86馬赫的速度巡航的波音747以86%的音速傳播,而聲屏障則為100%或1.0馬赫。

在正常音速下的情況,空氣中的分子不再能夠脫離,飛機前方的聲波被有效地壓縮成單波或衝擊波。衝擊波隨著氣壓和密度的突然增加而形成,從而產生音爆。事實上,當飛機尾翼經過衝擊波並且氣壓迅速恢復正常時會產生第二次音爆,儘管人耳有時只聽到一個音爆。

在飛行中,衝擊波最初被認為是機翼在平滑空氣動力氣流中產生升力的一個障礙。所以一些人認為聲障是天空中無形的牆壁或者一個危險的限制區域等待著摧毀那些通過蠻力來進入其超高速境界的試飛員。

因此大幅彎曲或弧形的機翼橫截面被設計得非常銳利從而能夠穿透空氣,而帶有鉸接式的傳統尾翼控制裝置則被全飛行尾翼或穩定器取代。這是因為衝擊波很容易在尾翼的鉸鏈線上形成,顯著增加了飛行控制裝置的負荷,並導致飛行員說他們的控制裝置在接近音障時“凍結”。

這些僅僅是設計師需要解決的所有問題的一小部分。終於查克葉格於1947年10月14日在Bell X-1中正式超過音速 - 這架飛機的機身非常類似0.50口徑子彈的形狀。

與航空領域的所有進步一樣,征服了一個前沿科技將會開闢進一步的研究和一系列新的應用。破壞聲障也不例外,隨著戰鬥機和噴氣發動機技術的迅速發展。不可避免的是,一個人的想法超越了軍隊的範疇,並且在民用航空領域嶄露頭角。航空旅行的未來是否屬於超音速領域?這猶未可知。



回到未來

在20世紀60年代早期,總統約翰·F·甘迺迪宣稱,“我們選擇在這十年中登月並做其他事物,不是因為它們很容易,而是因為它們很難”。這些“其他事物”中的一個可能是超音速運輸。

超音速運輸(SST)的概念起源於20世紀50年代,但真正聚集了製造商和政府的力量從而展現出快速發展的勢頭是在未來十年內。報告由甘迺迪發佈,因為英法聯盟的協和項目勢頭強勁,而且與太空競賽一樣,美國也不希望被拋在後面。在美國尋求SST的過程中,看到洛克希德和波音在1966年展示他們的設計和全尺寸模型,但波音2707成為最終贏家並進入下一個發展階段。

該飛機被建議以接近三倍於音速的速度載運約280名乘客。但是,人們仍然擔心這架飛機的運營成本。此外,該專案沒有得到政治領域的全面支持,環境問題涉及對臭氧層的影響,噪音水準和音爆。

政府對SST計畫的資金削減於1971年宣佈,波音2707的命運被就此封存,波音2707的模型至今陳列在位於西雅圖飛行博物館。波音2707在超臨界機翼設計方面取得了進步,並且是玻璃駕駛艙的早期採用者,但這些科技還不足以讓它在天空中被看到。

美國在太空競賽中的對手在SST領域取得了更大程度的成功。蘇聯開發了圖波列夫圖-144,其中第一架飛機於1968年起飛並於1975年進入商業服務。然而,儘管有十幾架適航機身正在建造中,但飛機在其生命中一直受到技術問題的困擾。圖-144計畫於1983年正式取消,但規定飛機仍保持試飛和訓練能力。

儘管世界上兩個超級大國對超音速飛機做了很多努力,但是最終Aerospatiale / BAC協和飛機取得了最大的成功。協和式飛機以其引人注目三角翼,成為了那個時代的飛機 - 儘管只有20架飛機建成。該飛機於1969年首次飛行,可以超過2馬赫的速度巡航,最大載客量為128。

協和式航空公司於1976年開始提供定期航班服務,在其短短的生命中各方對其褒貶不一。美國聯邦航空管理局(FAA)於1973年制定了法規,禁止飛機在陸地上和距離海岸線一定距離飛行速度超過1.0馬赫,從而將協和飛機限制為跨洋航線,主要是紐約至倫敦或巴黎。

最終,高運營成本,政治和環境問題對飛機來說太嚴重了。隨著21世紀的到來,2000年7月法國航空公司4590號航班的慘劇以及一年多後的9/11襲擊事件出現形成了超音速飛行器界致命風暴。

由於高票價和低需求,英國航空公司和法國航空公司於2003年宣佈協和飛機退役。隨著服務的退出,超音速運輸的時代似乎已經過去,無法應對自其概念化以來存在的障礙。它也無法克服燃料不足的加力燃燒發動機的成本,並且減輕不了對環境影響和聲爆的擔憂。

在新的航空時代,數百架超音速飛機在天空中飛行並縮短飛行時間的願景現在僅限於歷史或者可能實現?

來自超音速的“砰砰”聲

超音速運輸困境的核心是聲爆。由飛機破壞聲障產生的衝擊波在其尾流中留下馬赫錐。那個錐體從飛機上向外輻射360度,並且不可避免地沿地球表面拖動一部分,稱為聲爆地毯。不幸的是,這對下面存在的人,動物和財產造成了不利影響。

更快,更高,更遠是航空領域的推動力,並且自人類首次飛行以來一直在不斷追求。雖然最初涉足超音速運輸可能被視為商業上的失敗,但毫無疑問,這種努力確實是值得認可的,甚至更為關鍵的是它確定了超音速的缺點。

美國國家航空航天局(NASA)一直在研究如何將音爆降低到不會打擾地面的噪音水準。正如美國宇航局超音速專案經理彼得科恩所解釋的那樣,目標是將聲爆減少到類似於開關車門的聲音。

在協和式飛機於2003年退役時,NASA就駕駛改裝機頭和機身的諾斯羅普F-5E戰鬥機,研究飛機設計能否重塑其衝擊波,從而減少音爆。

最近,NASA甚至使用F/A-18大黃蜂來研究的音爆。通過讓大黃蜂以超音速向地面上的特定點俯衝,NASA已經能夠測量距離爆炸聚焦的地方幾英里處的噪音水準和衝擊波在哪裡擴散和削弱。

結果更像是一個“聲音重擊”而不是音爆,而且被比作車門關閉的聲音。今年晚些時候,NASA將把測試從飛行研究設施帶到墨西哥灣。在那裡,它將旨在研究海灣的聲爆,並使用感測器和500名人類志願者的組合測量加爾維斯頓市的聲音重擊。有了這些資料,他們將更加瞭解當地人的噪音接受水準。

然而,大黃蜂只能在有限的區域內類比聲音砰砰聲,未來的超音速旅行將要求消除響亮的聲音,而不僅僅是遠離人口聚集區。

新的Boom

當協和式飛機最後一次停止時,有些人為一個時代的流逝中流下了眼淚。然而,自20世紀60年代首次構想這種超級核心先驅以來,航空領域發生了巨大變化。音爆研究,材料的發展,增加的計算能力,發動機設計的發展和改進的動態建模只是所有新的前沿科技的一部分。這些前沿科技將在超級運輸中開闢出新的天地。在這樣做的同時,以前環境影響這個致命弱點也正在得到解決。

很多新型的公司都設計出了不同的新的超音速飛機。但是震驚全球和最受關注的是Boom Supersonic客機,它設想以超過2.0馬赫速度運載55名乘客,座位公里成本相當於亞音速商務艙。配備一個尾部安裝發動機和兩個翼裝發動機,酒杯三角翼和整體線條無不暗示著令人賞心悅目的協和飛機。

然而,像所有現代競爭者一樣,過去的超音速客機的高壓補燃發動機已被更高效的渦輪風扇發動機所取代,這些發動機經過優化以應對超音速飛行。

Boom目前正在建造一個雙座測試台,XB-1或Baby Boom。該飛機將用於驗證全尺寸客機將採用的技術。計畫在2018年年底試飛,XB-1是飛機的第三級版本,就像它的大兄弟一樣,其目標是達到2.2馬赫的速度。

許多航空公司已經與Boom Supersonic簽約,特別是維珍航空集團和日本航空公司(JAL),後者投資1000萬美元在Boom並預訂了20架飛機。

有效地將飛行時間減半和當前商務艙票價附近的票價定價是對很多航空公司的誘惑。

越來越快

動力飛行的夢想在一個多世紀以前實現,並且每十年設計和性能也會大大提高。如今航空公司的創新著重于在現有技術的基礎上進行效率的提高和範圍的擴展,而不是開創嶄新的領域。這是更新反覆運算的過程,而不是徹底地革命。

然而,深入研究下一代雙引擎,寬體渦輪客機,使超音速運輸的前景不僅是可能的,它變得實際。20世紀60年代令人失望的夢想在21世紀的技術中重新出現,並且已經學到許多艱苦的教訓。

航空業的復興可能正在通過加爾維斯頓的砰砰聲和類似針頭的飛機超越音速中出現,這個激動人心的新時代可能比你想像的更接近。

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文章來源:美國明石財富管理

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