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X-59是一架獨(dú)一無二的實(shí)驗(yàn)飛機(jī)，它是一款設(shè)計(jì)飛行速度在1.6-1.8 馬赫的超音速飛機(jī)，關(guān)鍵它在突破聲障時(shí)非?！鞍察o”，其傳到地面的聲爆音量大致相當(dāng)于6米外關(guān)車門的動(dòng)靜。X-59將于今年首飛，一旦經(jīng)過相關(guān)測(cè)試，美國國家航空航天局計(jì)劃在2026年讓它飛越選定的城市，以獲取更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)或許將打破商業(yè)超音速飛行的限制——在過去的50多年里，由于聲爆對(duì)航線周邊地面社區(qū)的巨大干擾，美國禁止民用飛機(jī)在其陸地上空飛行速度超過1馬赫。

撰文 | 崔凱（中國空氣動(dòng)力學(xué)會(huì) 科學(xué)傳播和普及工作委員會(huì)主任）

2024年1月12日，美國國家航空航天局（NASA）正式推出了X-59低聲爆研究飛機(jī)。這架飛機(jī)是在NASA“安靜超音速技術(shù)（QueSST, Quiet Supersonic Technology）”項(xiàng)目的支持下，由洛克希德·馬丁公司研發(fā)和制造。

圖1 X-59飛機(jī)實(shí)物展示。丨來源：NASA

對(duì)于這架飛機(jī)，NASA發(fā)布的新聞稿稱：“X-59是一種獨(dú)一無二的實(shí)驗(yàn)飛機(jī)，它不但可以展示其具備超音速飛行的能力，還將表明其僅會(huì)產(chǎn)生輕柔的聲音，而不是響亮的聲爆”。該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人凱瑟琳·巴姆（Catherine Bahm）則表示：“這架飛機(jī)的推出是Quesst任務(wù)中實(shí)現(xiàn)消除聲爆總體目標(biāo)的一個(gè)巨大里程碑。”NASA總部負(fù)責(zé)航空研究的副局長鮑勃·皮爾斯（Bob Pearce）更是宣稱：“對(duì)于從這項(xiàng)獨(dú)一無二的任務(wù)中所獲得的數(shù)據(jù)和技術(shù)，NASA將與監(jiān)管機(jī)構(gòu)和行業(yè)共同分享。我們也將展示其具備在陸地上方進(jìn)行‘安靜’超音速飛行的能力，并尋求為美國公司打開新的商業(yè)市場(chǎng)，使世界各地的旅行者受益。”

面對(duì)如此鋪天蓋地的宣傳，我們不禁會(huì)提出一系列問題：為什么X-59飛機(jī)會(huì)受到如此關(guān)注？這架飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)什么樣的功能？它的名字為什么以X開頭？這是否意味著闊別商業(yè)航空二十余年的超音速飛機(jī)即將再次“返航”？本文將對(duì)上述幾個(gè)問題一一解答。

1

為什么X-59飛機(jī)會(huì)受到如此關(guān)注？

X-59飛機(jī)重新喚起了人們對(duì)超音速商業(yè)飛行的記憶和向往。

自1903年萊特兄弟發(fā)明第一架飛機(jī)以來，過去的一百多年中，對(duì)于飛行速度的追求幾乎成為了永恒的主題。度量飛機(jī)速度一般使用馬赫，也就是聲速的倍數(shù)。目前商業(yè)航運(yùn)飛機(jī)的速度都低于聲速（一般在0.8至0.9馬赫之間），如果一架飛機(jī)的飛行速度比聲速還要快，我們就稱其為超音速飛機(jī)。

之所以采用聲速作為飛行速度的度量單位，是由于在飛行過程中，飛機(jī)會(huì)不斷對(duì)周圍的氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，這些擾動(dòng)又會(huì)以聲速在空氣中向更遠(yuǎn)的地方傳播，故而飛行速度與聲速之間就形成一種緊密的聯(lián)系。因此，用聲速來度量飛機(jī)的速度就成為一種合理且最佳的選擇。當(dāng)飛機(jī)的飛行速度接近或者超過聲速后，其周圍的空氣流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生突變，并產(chǎn)生一種名為激波的物理現(xiàn)象。

圖2 飛機(jī)周圍的一條條“斜線”就是激波。丨來源：NASA

激波的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)的阻力劇增，阻礙其飛得更快，因此很多人曾一度以為飛機(jī)的速度永遠(yuǎn)不會(huì)超過聲速，甚至給這種現(xiàn)象起了一個(gè)名字叫做“聲障”。

不過，這一錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)很快就被打破。1947年10月14日，美國空軍試飛員查克·耶格駕駛X-1火箭飛機(jī)飛出了1.06馬赫的速度，實(shí)現(xiàn)了有人駕駛飛機(jī)的首次突破聲障。

在這之后，伴隨著噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，超音速飛行基本上成為了戰(zhàn)斗機(jī)的標(biāo)配性能。

相比之下，民航飛機(jī)的速度提升則緩慢得多。迄今為止，歷史上僅出現(xiàn)過兩種超音速民航飛機(jī)，一種是英法聯(lián)合研制的協(xié)和式飛機(jī)，另一種是前蘇聯(lián)研制的圖-144飛機(jī)。后者據(jù)傳在研制中曾“秘密參考”了很多協(xié)和式飛機(jī)的技術(shù)，所以也被戲稱為“協(xié)和斯基”。圖-144在某種意義上屬于政治產(chǎn)物，存在問題很多，因此飛行了幾十次以后就草草收?qǐng)?。協(xié)和式飛機(jī)的壽命則要長很多，從1976年開始投入商業(yè)服務(wù)，至2003年結(jié)束最后一次飛行，運(yùn)營時(shí)間長達(dá)27年。

圖3 協(xié)和式飛機(jī)（左）和圖-144飛機(jī)（右）丨來源：資料

協(xié)和式飛機(jī)的飛行速度可以超過2馬赫，比地球自轉(zhuǎn)速度還要快，從紐約到巴黎僅需要三個(gè)多小時(shí)。由于時(shí)差的存在，因此在某些航班中，其落地時(shí)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間比出發(fā)時(shí)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間還要早，給乘客的感覺是“還沒出發(fā)就已經(jīng)到達(dá)了”。正是這種獨(dú)特的高速飛行體驗(yàn)，使得協(xié)和式飛機(jī)頗受當(dāng)時(shí)高端人士的追捧。

然而，盡管體驗(yàn)很獨(dú)特，但協(xié)和式飛機(jī)在實(shí)際運(yùn)營中卻存在一個(gè)致命的問題，就是虧損。當(dāng)時(shí)英國和法國的航空公司每年在協(xié)和式飛機(jī)的運(yùn)營上，虧損可達(dá)到4000-5000萬美元，如此巨大的負(fù)擔(dān)迫使協(xié)和式飛機(jī)最終黯然退出歷史舞臺(tái)。導(dǎo)致虧損的原因中，最重要一個(gè)就是聲爆問題沒有解決。而這也是制約超音速商業(yè)飛行發(fā)展的主要瓶頸。

X-59的出現(xiàn)將有可能改變這一局面，推動(dòng)超音速民機(jī)以更快的步伐重回歷史舞臺(tái)。

2

X-59能實(shí)現(xiàn)什么樣的功能？

X-59是采用低聲爆設(shè)計(jì)的超音速試驗(yàn)飛機(jī)。

聲爆（也稱音爆）是超音速飛行中的特有現(xiàn)象。從前面的圖2可以看到，超音速飛行的時(shí)候，飛機(jī)的許多部位與空氣作用都會(huì)產(chǎn)生激波，這些激波在空氣中不但向外傳播，而且會(huì)不斷地相互作用和合并，最終匯聚為兩道更強(qiáng)的激波，分別稱為頭激波和尾激波。由于強(qiáng)激波兩側(cè)的壓力差別非常大，當(dāng)這兩道強(qiáng)激波傳到地面的時(shí)候，就會(huì)對(duì)地面的各種設(shè)施和生物帶來影響。如果傳到人的耳朵里，則體現(xiàn)為兩聲巨大的爆炸聲。

最早關(guān)注這一現(xiàn)象的是一個(gè)名叫杰拉爾德·B·懷特森（Gerald B. Whitham）的英國研究生，他不僅分析并解釋了這一現(xiàn)象，甚至通過理論分析提出了計(jì)算預(yù)示方法。1956年，美國空軍在愛德華茲空軍基地進(jìn)行了聲爆飛行試驗(yàn)，這也是已知最早的聲爆飛行試驗(yàn)。雖然當(dāng)時(shí)所用的測(cè)量設(shè)備比較簡(jiǎn)單，但試驗(yàn)結(jié)果和理論分析基本吻合，之后的飛行試驗(yàn)和地面試驗(yàn)也都進(jìn)一步驗(yàn)證了其理論。

20世紀(jì)50年代，隨著超音速戰(zhàn)斗機(jī)的庫存量和飛行測(cè)試需求不斷增加，大量的飛機(jī)在美國各基地周圍進(jìn)行試飛，聲爆開始引起公眾的關(guān)注和反感。據(jù)資料記載，在1956年至1968年間，美國空軍共收到了約38831項(xiàng)關(guān)于聲爆的索賠，其中全部或部分批準(zhǔn)的為14006項(xiàng)。索賠理由主要為聲爆導(dǎo)致玻璃破碎、泥灰墻損壞，以及物體墜落等。這些索賠案例中也包含一些奇怪的理由，比如居民投訴聲爆導(dǎo)致其寵物死亡或牲畜發(fā)瘋等。

聲爆問題迫使美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）在1973年實(shí)施了一項(xiàng)禁令，即禁止民用飛機(jī)在美國陸地上空飛行速度超過1馬赫。依據(jù)這項(xiàng)規(guī)定，即將投入運(yùn)營的協(xié)和式飛機(jī)的航線受到極大限制，其所帶來的打擊幾乎是致命的，因?yàn)楹骄€選擇的減少意味著客流量的大幅縮減和運(yùn)營成本的大幅提高。

正因?yàn)檫@一問題的重要性，美國政府自上世紀(jì)60年代開始就針對(duì)其開展了大量研究，并一直持續(xù)至今。相關(guān)研究涉及多個(gè)方面，包括：（1）進(jìn)行飛行試驗(yàn)，以更好地量化研究相關(guān)流體動(dòng)力學(xué)和大氣物理現(xiàn)象；（2）進(jìn)行社區(qū)調(diào)查，從受干擾的樣本人群中收集民意數(shù)據(jù)；（3）建立和使用聲學(xué)模擬器，對(duì)人和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估；（4）對(duì)家畜和野生動(dòng)物可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行實(shí)地研究；（5）開展地面實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合試飛數(shù)據(jù)綜合分析，完善理論結(jié)構(gòu)并建立數(shù)學(xué)模型。

這些研究的核心是低聲爆的飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，也就是采用相對(duì)合理的外形改變激波形狀和強(qiáng)度以降低聲爆。這一研究歷程長達(dá)幾十年之久，最終得出的主要結(jié)論是將飛機(jī)頭部的形狀進(jìn)行合理的優(yōu)化（如將下顎部分設(shè)計(jì)為類似于鵜鶘鳥嘴部的形狀），以及將頭部加長。這兩種機(jī)頭設(shè)計(jì)方式都經(jīng)過了大量的計(jì)算仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)。在本世紀(jì)初，通過改裝F-5E戰(zhàn)斗機(jī)和F-15B戰(zhàn)斗機(jī)，這兩項(xiàng)技術(shù)分別開展了飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了其抑制聲爆的有效性。

圖4 頭部經(jīng)過改裝的F-5E飛機(jī)（左）和頭部加裝“安靜長釘”的F-15B飛機(jī)（右）丨來源：資料

X59全長29米，機(jī)翼展開9米。從NASA公布的X-59真機(jī)圖片看，應(yīng)該綜合使用了上述兩項(xiàng)技術(shù)，也就是說，既采用了細(xì)長的頭部設(shè)計(jì)，也對(duì)其頭部的形狀，特別是下顎部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了這一明顯特征以外，X-59還采用了較小的機(jī)翼面積和較大的向后傾斜角度（后掠角），以及將發(fā)動(dòng)機(jī)置于飛機(jī)的背部等設(shè)計(jì)，這些都將有益于改善激波形狀和強(qiáng)度，從而有效抑制聲爆。據(jù)稱，相比于傳統(tǒng)的超音速飛機(jī)，X-59所產(chǎn)生的聲爆將會(huì)從“轟隆的雷聲”降低為“輕柔的關(guān)車門聲”。

為了消除聲爆和減小空氣阻力，超音速飛機(jī)的機(jī)頭需非常尖長，這會(huì)嚴(yán)重干擾飛行員的視野。為解決這一問題，X-59座艙前方的窗戶用一塊高清全景顯示器取代，飛行中實(shí)時(shí)顯示來自前置攝像頭的圖像，提供前方視野。

X-59座艙屏幕的藝術(shù)效果圖丨來源：NASA

3

飛機(jī)的型號(hào)為什么以“X”開頭？

X-59是一架研究型飛機(jī)。

美國的軍用飛機(jī)最初是由各個(gè)軍種分別獨(dú)立編號(hào)，即陸軍、海軍和空軍都有自己的飛機(jī)命名和編號(hào)規(guī)則。隨著飛機(jī)在作戰(zhàn)中的地位越來越重要，各軍種所采購和使用的飛機(jī)種類及數(shù)量都大幅增加，因此生產(chǎn)商所生產(chǎn)的某型飛機(jī)可能同時(shí)提供給不同的軍種使用。在當(dāng)時(shí)環(huán)境下，經(jīng)常會(huì)為了適應(yīng)不同軍種的規(guī)則，而對(duì)相同的飛機(jī)采用不同編號(hào)的情況，這就給管理帶來了很大的麻煩。

為了改變這種混亂的局面，1962年，美國三軍根據(jù)美國國防部的命令并參考之前的規(guī)則，對(duì)軍用飛機(jī)的編號(hào)方法進(jìn)行了統(tǒng)一。此項(xiàng)工作由空軍具體負(fù)責(zé)，后續(xù)也不斷地修訂。按照這一規(guī)則，一架軍機(jī)的編號(hào)主要由機(jī)種代號(hào)、設(shè)計(jì)代號(hào)和其他代號(hào)組成。機(jī)種代號(hào)大多為一個(gè)字母，如A代表攻擊機(jī)、B代表轟炸機(jī)、C代表運(yùn)輸機(jī)、F表示戰(zhàn)斗機(jī)等。設(shè)計(jì)代號(hào)則按照設(shè)計(jì)時(shí)間的先后順序編號(hào)，列于機(jī)種代號(hào)之后。此外，后面還按實(shí)際情況增加改型代號(hào)等等附加信息，例如前面提到的F-5E和F-15B都是依據(jù)這種規(guī)則而命名。

這個(gè)編號(hào)框架內(nèi)幾乎所有的飛行器均具有明確的實(shí)際作戰(zhàn)使用指向，比如攻擊、轟炸、運(yùn)輸、電子戰(zhàn)等等，而X系列飛行器是唯一的例外。這類飛行器僅僅是為了探索或者研究某項(xiàng)新技術(shù)而研制，依托這一類飛行器所研發(fā)的新技術(shù)會(huì)被移植到其他實(shí)際飛行器使用。X這一字母源自英文“探索（explore）”一詞的第二個(gè)字母，同時(shí)X在數(shù)學(xué)中一般也代表未知量，由此不難理解，所有的X飛行器都肩負(fù)著探索新技術(shù)和研究未知問題的使命。

探索的結(jié)果可能是歷史性的突破。例如第一架X飛行器就是前面提及的首架有人駕駛并且突破“聲障”的飛機(jī)X-1，該飛機(jī)直接推動(dòng)了超音速飛機(jī)的發(fā)展；再如上世紀(jì)五六十年代研制的X-15高超音速飛行器曾總計(jì)飛行199架次，第一次實(shí)現(xiàn)了載人有控飛行器的高超音速飛行，為后續(xù)的航天飛機(jī)研制積累了大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)；進(jìn)入新世紀(jì)以來，X-43A和X-51A飛行器則分別首次實(shí)現(xiàn)了氫燃料和碳?xì)淙剂蟿?dòng)力的吸氣式推進(jìn)高超音速飛行，為高超音速飛機(jī)的研制夯實(shí)了基礎(chǔ)。

探索之路也一定不會(huì)總是坦途。歷史上也有大量的X飛行器遭遇失敗或者中途夭折。一個(gè)典型的實(shí)例就是X-30飛行器，其目標(biāo)是建造一架從跑道水平起飛并一直飛入太空的單級(jí)入軌飛行器。由于初期論證過于樂觀，沒有充分預(yù)估巨大的技術(shù)難度，導(dǎo)致此項(xiàng)目歷經(jīng)十年，花費(fèi)數(shù)十億美元，最終以失敗收?qǐng)?。不過這一項(xiàng)目直接牽引了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、吸氣式推進(jìn)技術(shù)和新材料的飛速發(fā)展，為后續(xù)X-43A和X-51A的成功埋下了伏筆。

從X-59被賦予X系列的編號(hào)就可以知道，這架飛機(jī)的用途就是研究聲爆問題并驗(yàn)證其相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)，而并非一架超音速民用飛機(jī)的原型機(jī)。實(shí)際上，X-59飛機(jī)僅是QueSST項(xiàng)目所研發(fā)的產(chǎn)品之一，其飛行試驗(yàn)也并非這一項(xiàng)目的全部。從公布的信息中可以獲知，后續(xù)的飛行試驗(yàn)將通過大批鋪設(shè)地面測(cè)試設(shè)備來收集X-59的聲爆信息。為此，研究人員將在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心附近的30英里沙漠中建立了10個(gè)麥克風(fēng)站，這些設(shè)備的研發(fā)也是這個(gè)項(xiàng)目的組成部分。

4

超音速民用飛機(jī)何時(shí)“返航”？

即便X-59的飛行試驗(yàn)取得巨大成功，也并不意味著超音速民航飛機(jī)的回歸指日可待。

首先，X-59的推出僅表明這架飛機(jī)的研制完成。按照QueSST項(xiàng)目的研制計(jì)劃，這僅僅完成了該項(xiàng)目所含四個(gè)階段的第一步。后續(xù)還將依次開展其余三個(gè)階段的研究，包括聲爆性能飛行驗(yàn)證（階段二）；飛越選定的美國城市，并要求居民分享他們對(duì)X-59發(fā)出聲音的反應(yīng)，了解這種技術(shù)的公眾接受性（階段三）；以及向美國和國際監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供社區(qū)反應(yīng)數(shù)據(jù)的完整分析，供其作為陸地上安靜超音速飛行的新規(guī)則制定參考（階段四）。整個(gè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2030年才全部結(jié)束。

其次，從X-59飛機(jī)的定位就可以知道，其功能主要是驗(yàn)證低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)，而并非是超音速民用飛機(jī)的原型機(jī)。據(jù)NASA方面的計(jì)劃，期望在2031年的國際民航組織航空環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（CAEP）會(huì)議上，提出新的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。如果獲得批準(zhǔn)，研發(fā)實(shí)用飛機(jī)大概用時(shí)10年，最早可能在2040年左右推出超音速民用機(jī)型。這將是一個(gè)較為漫長的過程。另外，雖然以美國Boom公司為代表的民營公司已經(jīng)開始正式研制超音速民用飛機(jī)，并已在當(dāng)?shù)貢r(shí)間2024年3月22日完成其XB-1飛機(jī)的首飛，但從其外形而言，無法看出典型的低聲爆特征，且在其公布宣傳信息中，也未提及聲爆特性。盡管該公司聲稱目前已收到130份訂單，并將于2029年正式投入商業(yè)運(yùn)營，但屆時(shí)能否獲得適航許可仍是未知數(shù)。

第三，超音速民用飛機(jī)的運(yùn)營不僅僅涉及技術(shù)層面和經(jīng)濟(jì)層面，更是一個(gè)社會(huì)問題。超音速飛行阻力劇增，因此燃料消耗也相應(yīng)增加，這會(huì)帶來廢氣排放量的增加。加之此類飛機(jī)的飛行高度一般在海拔18公里左右，已接近臭氧層密度較高的區(qū)域，是否會(huì)帶來新的環(huán)境污染問題也將是后續(xù)的研究重點(diǎn)。在全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視的大環(huán)境下，這一問題對(duì)超音速飛機(jī)的發(fā)展也將產(chǎn)生極大的影響。

圖5 Boom公司發(fā)布的XB-1（上）和超音速民用飛機(jī)效果圖丨來源：Boom Technology

不過，除美國以外，中國對(duì)超音速民機(jī)技術(shù)也正在研發(fā)，在2019年中國科協(xié)正式發(fā)布的20個(gè)重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題中，其中一項(xiàng)就是“綠色超音速民機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)”。據(jù)中國航空研究院相關(guān)專家透露，中國已突破了音爆高精準(zhǔn)度預(yù)測(cè)、低阻力低音爆設(shè)計(jì)等綠色超音速民機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)。因此，盡管目前尚無法給出超音速民機(jī)回歸的具體時(shí)間表，但相信在不久的將來，綠色超音速民機(jī)定將重回藍(lán)天，為人類提供更快速、更舒適、和更加綠色的出行工具。

參考文獻(xiàn)

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[7] https://news.cri.cn/uc-eco/20190701/6eaede1a-6e64-dd98-4ea8-906a43b92a7a.html

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