本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：崔凱

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

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）”項目的支持下，由洛克希德?馬丁公司研發(fā)和制造。

對于這架飛機(jī)，NASA 發(fā)布的新聞稿稱：“X-59 是一種獨一無二的實驗飛機(jī)，它不但可以展示其具備超音速飛行的能力，還將表明其僅會產(chǎn)生輕柔的聲音，而不是響亮的聲爆”。該項目的負(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)中實現(xiàn)消除聲爆總體目標(biāo)的一個巨大里程碑。”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：“對于從這項獨一無二的任務(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，使世界各地的旅行者受益?！?/p>

面對如此鋪天蓋地的宣傳，我們不禁會提出一系列問題：為什么 X-59 飛機(jī)會受到如此關(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”？本文將對上述幾個問題一一解答。

1、為什么 X-59 飛機(jī)會受到如此關(guān)注？

X-59 飛機(jī)重新喚起了人們對超音速商業(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)會不斷對周圍的氣流產(chǎn)生擾動，這些擾動又會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，其周圍的空氣流動會產(chǎn)生突變，并產(chǎn)生一種名為激波的物理現(xiàn)象。

激波的出現(xiàn)會導(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)不會超過聲速，甚至給這種現(xiàn)象起了一個名字叫做“聲障”。

不過，這一錯誤認(rèn)識很快就被打破。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場。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，運營時間長達(dá) 27 年。

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多小時。由于時差的存在，因此在某些航班中，其落地時的當(dāng)?shù)貢r間比出發(fā)時的當(dāng)?shù)貢r間還要早，給乘客的感覺是“還沒出發(fā)就已經(jīng)到達(dá)了”。正是這種獨特的高速飛行體驗，使得協(xié)和式飛機(jī)頗受當(dāng)時高端人士的追捧。

然而，盡管體驗很獨特，但協(xié)和式飛機(jī)在實際運營中卻存在一個致命的問題，就是虧損。當(dāng)時英國和法國的航空公司每年在協(xié)和式飛機(jī)的運營上，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。導(dǎo)致虧損的原因中，最重要一個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，推動超音速民機(jī)以更快的步伐重回歷史舞臺。

2、X-59 能實現(xiàn)什么樣的功能？

X-59 是采用低聲爆設(shè)計的超音速試驗飛機(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，超音速飛行的時候，飛機(jī)的許多部位與空氣作用都會產(chǎn)生激波，這些激波在空氣中不但向外傳播，而且會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)激波傳到地面的時候，就會對地面的各種設(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，這也是已知最早的聲爆飛行試驗。雖然當(dāng)時所用的測量設(shè)備比較簡單，但試驗結(jié)果和理論分析基本吻合，之后的飛行試驗和地面試驗也都進(jìn)一步驗證了其理論。

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 項關(guān)于聲爆的索賠，其中全部或部分批準(zhǔn)的為 14006 項。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 年實施了一項禁令，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)這項規(guī)定，即將投入運營的協(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，因為航線選擇的減少意味著客流量的大幅縮減和運營成本的大幅提高。

正因為這一問題的重要性，美國政府自上世紀(jì) 60 年代開始就針對其開展了大量研究，并一直持續(xù)至今。相關(guān)研究涉及多個方面，包括：（1）進(jìn)行飛行試驗，以更好地量化研究相關(guān)流體動力學(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，對人和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行評估；（4）對家畜和野生動物可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行實地研究；（5）開展地面實驗，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)計技術(shù)，也就是采用相對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)計方式都經(jīng)過了大量的計算仿真和風(fēng)洞試驗。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)，這兩項技術(shù)分別開展了飛行試驗，驗證了其抑制聲爆的有效性。

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技術(shù)，也就是說，既采用了細(xì)長的頭部設(shè)計，也對其頭部的形狀，特別是下顎部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。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)動機(jī)置于飛機(jī)的背部等設(shè)計，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，飛行中實時顯示來自前置攝像頭的圖像，提供前方視野。

3、飛機(jī)的型號為什么以“X”開頭？

X-59 是一架研究型飛機(jī)。

美國的軍用飛機(jī)最初是由各個軍種分別獨立編號，即陸軍、海軍和空軍都有自己的飛機(jī)命名和編號規(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)可能同時提供給不同的軍種使用。在當(dāng)時環(huán)境下，經(jīng)常會為了適應(yīng)不同軍種的規(guī)則，而對相同的飛機(jī)采用不同編號的情況，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，對軍用飛機(jī)的編號方法進(jìn)行了統(tǒng)一。此項工作由空軍具體負(fù)責(zé)，后續(xù)也不斷地修訂。按照這一規(guī)則，一架軍機(jī)的編號主要由機(jī)種代號、設(shè)計代號和其他代號組成。機(jī)種代號大多為一個字母，如 A 代表攻擊機(jī)、B 代表轟炸機(jī)、C 代表運輸機(jī)、F 表示戰(zhàn)斗機(jī)等。設(shè)計代號則按照設(shè)計時間的先后順序編號，列于機(jī)種代號之后。此外，后面還按實際情況增加改型代號等等附加信息，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。

這個編號框架內(nèi)幾乎所有的飛行器均具有明確的實際作戰(zhàn)使用指向，比如攻擊、轟炸、運輸、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)會被移植到其他實際飛行器使用。X 這一字母源自英文“探索（explore）”一詞的第二個字母，同時 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飛行 199 架次，第一次實現(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現(xiàn)了氫燃料和碳?xì)淙剂蟿恿Φ奈鼩馐酵七M(jìn)高超音速飛行，為高超音速飛機(jī)的研制夯實了基礎(chǔ)。

探索之路也一定不會總是坦途。歷史上也有大量的 X 飛行器遭遇失敗或者中途夭折。一個典型的實例就是 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)致此項目歷經(jīng)十年，花費數(shù)十億美元，最終以失敗收場。不過這一項目直接牽引了計算機(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 系列的編號就可以知道，這架飛機(jī)的用途就是研究聲爆問題并驗證其相關(guān)的設(shè)計技術(shù)，而并非一架超音速民用飛機(jī)的原型機(jī)。實際上，X-59 飛機(jī)僅是 QueSST 項目所研發(fā)的產(chǎn)品之一，其飛行試驗也并非這一項目的全部。從公布的信息中可以獲知，后續(xù)的飛行試驗將通過大批鋪設(shè)地面測試設(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 個麥克風(fēng)站，這些設(shè)備的研發(fā)也是這個項目的組成部分。

4、超音速民用飛機(jī)何時“返航”？

即便 X-59 的飛行試驗取得巨大成功，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 項目的研制計劃，這僅僅完成了該項目所含四個階段的第一步。后續(xù)還將依次開展其余三個階段的研究，包括聲爆性能飛行驗證（階段二）；飛越選定的美國城市，并要求居民分享他們對 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）。整個項目預(yù)計將于 2030 年才全部結(jié)束。

其次，從 X-59 飛機(jī)的定位就可以知道，其功能主要是驗證低聲爆設(shè)計技術(shù)，而并非是超音速民用飛機(jī)的原型機(jī)。據(jù) NASA 方面的計劃，期望在 2031 年的國際民航組織航空環(huán)境保護(hù)委員會（CAEP）會議上，提出新的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。如果獲得批準(zhǔn)，研發(fā)實用飛機(jī)大概用時 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)運營，但屆時能否獲得適航許可仍是未知數(shù)。

第三，超音速民用飛機(jī)的運營不僅僅涉及技術(shù)層面和經(jīng)濟(jì)層面，更是一個社會問題。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，是否會帶來新的環(huán)境污染問題也將是后續(xù)的研究重點。在全球范圍內(nèi)對環(huán)境保護(hù)日益重視的大環(huán)境下，這一問題對超音速飛機(jī)的發(fā)展也將產(chǎn)生極大的影響。

不過，除美國以外，中國對超音速民機(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 個重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題中，其中一項就是“綠色超音速民機(jī)設(shè)計技術(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、低阻力低音爆設(shè)計等綠色超音速民機(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)

• [1] https://www.nasa.gov/news-release/nasa-lockheed-martin-reveal-x-59-quiet-supersonic-aircraft/.

• [2] https://www.space.com/nasa-x-59-quesst-supersonic-jet-unveiled.

• [3] Domenic J. Maglieri, Percy J. Bobbitt, Kenneth J. Plotkin, et al. SONIC BOOM, Six Decades of Research. NASA/SP-2014-622, 2014.

• [4] Dennis R. Jenkins, Tony Landis, and Jay Miller. AMERICAN X-VEHICLES An Inventory—X-1 to X-50. NASA/SP-2003-4531, 2003.

• [5] 朱自強(qiáng)，蘭世隆.超聲速民機(jī)和降低音爆研究.航空學(xué)報，2015, 36 (8): 2507-2528.

• [6] 錢戰(zhàn)森，韓忠華.聲爆研究的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn).空氣動力學(xué)學(xué)報，2019, 37 (4): 601-619.

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

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