3小時倫敦飛紐約被NASA「弄瞎」的超音速飛機要跟音爆說「再見」

新聞 06-25

體驗超音速旅行一直都是很多人的夢想。但是，自從超音速客機「協和號」在 2003 年退役後，這項體驗就基本與普通人無緣了。雖然協和式飛機運營的時間不長，但卻代表了一個時代技術的驚人進步。

（圖片來源：NASA官網）

協和式客機為世界上少數曾投入商業使用的超音速客機，是由法國宇航和英國飛機公司聯合研製的中程超音速客機。

它能夠在18000米的高空以2.02倍音速巡航，從巴黎飛到紐約只需約3小時左右，比普通民航客機節省超過一半時間，所以雖然票價昂貴但仍然深受商務旅客的歡迎。

但是2000 年，協和式飛機發生了那場著名的空難，機上 100 人全部遇難，從此便一蹶不振，再加上這種客機產生的巨大噪音屢屢遭到居民投訴，3 年後這種飛機黯然退場。在接下來的很長一段時間，這種超音速飛機淪為「被收藏在博物館等著被緬懷」的境地。

然而近年來，超音速飛機又捲土重來，成為了航空航天業的熱點。其中，美國美國國家航空航天局(NASA)更是攜手全球最大軍用機製造商洛克希德·馬丁公司，高調宣布將讓超音速客機重返藍天。

2016 年 2 月 29 日，NASA 就曾向洛克希德·馬丁投過 2000 萬美元用於啟動研發「安靜」的超音速飛機。2018 年 4 月 2 日，NASA又宣布向洛克希德·馬丁公司投資約 2.48 億美元，用於生產低音噪的超音速示範客機(LBFD)的試驗性飛機。

NASA將這架飛機命名為X-59 QueSST(X-59 Quiet Supersonic Transport)。X-59機長27.4米，重9.072噸，巡航速度為1.4-1.45馬赫，巡航高度為14935-15545米。未來10年，NASA還將在該低聲爆超音速飛機上投資超過106億美元。

（圖片來源：NASA官網）

NASA之所以花大力氣研發低噪音飛機是因為，音爆是阻礙超音速客機重返藍天的最大障礙之一，只有降低音爆才可能使超音速客機重新回歸商業運營。

所謂的音爆是指，當飛機飛行速度超過音速，即海平面速度每小時約1225公里，飛機對周圍空氣施加壓力，所產生的衝擊波匯合時，便會製造震耳欲聾的音爆。

音爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰鬥機產生的聲爆足以震碎門窗玻璃。有人測量過，一架在16000米高空以兩倍音速飛行的「協和」客機產生的聲爆，對地面產生的壓強高達100帕，相當於在一塊一平方米左右的玻璃窗上施加10千克的力。如果把壓強換算成更直觀的聲強，100帕大約相當於133分貝，而人耳的聽覺上限一般是120分貝，超過120分貝的聲音就可能破壞耳膜和聽覺神經，引起耳聾。於是，音爆問題就成了超音速客機發展的「瓶頸」。

既然要攻克音爆難題，那就不僅要知其然還要知其所以然。今年3月，NASA就利用空對空紋影法(Schlieren photography)成像技術，創紀錄地首次拍攝到2架超音速飛機震波交互作用的照片。

（圖片來源：NASA官網）

為了獲得超音速飛機突破音障後看不見的衝擊波數據，NASA的工程師在一架B-200空中國王上安裝了特殊的拍攝儀器，可以檢測氣壓的快速變化，並獲得數字化的圖像。B-200被安排在大約9100米的空中飛行，兩架T-38超音速飛機在它的下方，以間隔10米超音速通過。

參與拍攝的飛行員藝高人膽大，技術精湛，NASA團隊最終順利拍攝到了這些美麗的圖像，這是NASA首次空對空拍攝的超音速飛機衝擊波相互作用的圖像，將有助於未來設計製造靜音的超音速飛機。

（圖片來源：NASA官網）

NASA採用目前業界統一使用的「感覺雜訊等級」(PLdB)來量化聲爆的大小。以「協和」為例，其PLdB的數值達到105，很難被人們接受。研究人員認為，75是陸地上空超音速飛行的可接受值，而NASA則要求將其降到70甚至更低。

飛機降低噪音的秘訣在於其獨特的形狀結構，因此要使PLdB降低至70甚至更低那就必須創新飛機的外形結構。

NASA的研究表明，新一代超音速客機X-59 QueSST應使用針狀的鼻椎、更加圓滑的機身、三角翼和大後掠角翼，這些氣動外形在降低聲爆上有著突出的效果。

在傳統超音速客機設計中，分別來自機頭、座艙蓋、進氣口、機翼和尾翼的激波在大氣中傳播時會聚集，進而產生更強的N型激波。低聲爆設計技術就是通過對飛機外形進行優化，使機身不同部位產生強度更小的激波。同時，這些激波也不會產生匯聚。也就是說，將N型激波的壓力峰值變小，成為S型激波，從而聲音到達地面時會聽起來比較「柔軟」。

飛機的造型設計往往牽一髮而動全身，外形的變化使得X-59 QueSST超音速飛機的內部也出現了顛覆性創新。最大的不同就是X-59 QueSST沒有了「眼睛」。

由於X-59的前艙被設計成了長長的針狀，普通客機駕駛室前方的玻璃在這架超音速飛機上不見了蹤影(換言之駕駛員無法直接看到飛機前方的景象)，而是被一個名為eXternal Visibility System(XVS)的系統取而代之。

XVS系統包括兩個安裝在飛機前部的攝像頭、一塊4K超高解析度電視屏幕、兩塊輔助屏幕以及一個收集地形數據的先進計算機系統。

攝像頭將艙外圖像實時傳輸到4K屏幕上，再加上計算機提供的地形數據，為駕駛員提供全方位景象，從而確保安全飛行。

NASA希望達到的理想狀態是人們聽到X-59 QueSST超音速飛機產生的噪音與關汽車門所產生的噪音相當。