国外超音速民用飞机发展综述

导读

民用飞机自诞生以来，一直因其快捷、直达、方便、舒适的特点受到旅客的青睐并逐渐成为人类日常生活中不可缺少的交通工具。但是，随着跨洋航线等长距离、长航时的航线增多，传统亚音速民用飞机面临挑战日益增多，超音速民用飞机的研究悄然开始。

超音速民用飞机发展起点较早，发展过程却一波三折。早在1950年左右，随着超音速军机的出现和成功，人们开始研究超音速民机的可行性。1956年、1962年，欧洲、苏联相继开始了超音速民机的研制。1976年、1977年，欧洲的“协和”号超音速民机（Concorde）和苏联的图-144超音速民机（如下图所示）相继投入商业运营。然而，由于仓促上马，“协和”号和图-144在安全性、舒适性、经济性、环保、噪音等方面都存在着较大问题，最终都在发生空难后黯然下马。

“协和”号和图-144

近些年来，随着科技日趋完善，传统制约超音速民机发展的因素逐渐消除，超音速民机再次成为了全球航空领域的研究热点，多型新型超音速民机正在研制中。

AS2

AS2（如上图所示）是Aerion Supersonic与空客公司于2014年宣布共同开发的超音速公务机，空客派出了一个工程师团队协助Aerion公司进行机体结构、数字飞行控制、集成燃油系统和着陆系统设计工作。

按照原计划，Aerion公司将在2018年末或2019年初制造一款原型机，并在2021年使这款飞机投入使用。但这款飞机的研制不断跳票，2018年10月，Aerion Supersonic与洛克希德马丁公司（后中断合作）及通用航空公司合作完成了AS2超音速商用飞机的概念设计阶段，并开始初步设计，但AS2投入实用时间也延迟至2025年。

AS2项目主要合作伙伴和供应商情况如下表所示：

AS2主要合作伙伴和供应商

AS2基本性能参数如下图所示，机长51.8米，翼展18.6米，起飞重量约54.8吨，载客8～12人，最大巡航速度1.4马赫，航程超过9800千米。在气动布局方面，AS2采用了“小后掠梯形薄机翼+T形尾翼”的常规布局，可以有效的解决布置于机身两侧的发动机尾流对尾翼产生较大噪音的问题。此次，两侧发动机布置在机翼下方并向前凸出，这样有利于提升效率并方便保养、维护。

AS2

AS2机翼采用10根梁的结构，类似于喷气战斗机

在动力方面，AS2采用的是GE公司2018年10月发布的Affinity发动机（如下图所示）。资料显示，Affinity是一种新型的中等旁通比双轴双风扇涡扇发动机，设计用于在水上进行高效超音速飞行和在陆地上进行亚音速飞行，这款发动机使用了全权限数字引擎控制（FADEC），能够监督引擎操作合规的所有方面，而无需手动干预。此外，Affinity能与Aerion的自然层流概念配合使用，该概念使用机翼前缘和新的机身设计，以减少机翼上的空气阻力高达60％，总阻力降低20％。

Affinity

AS2共有4个速度点，分别是跨声速巡航、无音爆巡航、高速远程巡航和最大速度巡航。根据不同要求，AS2的巡航速度和航线可以灵活设置。如果AS2飞越的国家允许无音爆超声速巡航，AS2可以1.1～1.2马赫巡航；如果禁止超声速巡航，AS2则可以0.95～0.98马赫的跨声速进行巡航。

S-512

S-512（如上图所示）是美国Spike Aerospace公司于2013年开始研制的新一代超音速公务机。自2013年开始研发以来，该项目也是多次延期，从最早2018年完成试飞一直推迟到在2021年年初完成试飞。

S-512主要合作伙伴和供应商情况如下表所示：

S-512的主要性能参数如下表所示，飞机机长37米，翼展17.7米，最多可容纳18位乘客，航程为11482千米，巡航速度为1.6马赫。另外S-512产生的噪音预计小于75分贝（PLdb），听起来像是拍手声或背景噪音。

在外型设计方面，S-512外型气动布局设计特征如下图所示，飞机外型气动布局设计平衡了飞机高速、高升力、稳定性及操控性要求。

S-512外型气动布局设计特征

在减噪方面，为较少噪声，S-512相对协和号大幅缩小了飞机尺寸和重量，另外S-512还大量使用先进的计算流体动力学（CFD）软件改进机翼和机身的形状参数来实现减噪。

S-512和传统超音速飞机音爆对比

另外，飞机还采用了数字客舱技术，大幅提升了乘客乘坐体验。飞机用大尺寸高清屏幕取代了乘客窗户。S-512的外部布置有微型摄像头，其将镜头发送到衬砌机身内壁的薄而弯曲的显示器上并形成完整的外部全景。如果乘客想睡觉，他们可以使屏幕变暗或从选择其他环境图像。

S-512客舱

X-59

NASA在2012年宣布重启超音速飞机研发，主要目标就是消除音爆问题，测试一项“安静超音速技术”（QueSST）。2016年2月，NASA授予洛克希德马丁公司臭鼬工厂初步设计合同，开始超音速飞机即X-59静音超音速技术（Quiet SuperSonic Technology，QueSST，如上图所示）飞机的初步设计。2018年4月，洛克希德马丁公司又获得了X-59的2.475亿美元验证机制造合同并于同年11月开始了飞机的制造。2019年12月，X-59通过了重大项目审查，进入到了最终组装和系统集成阶段。

X-59组装

根据合同，X-59将于2021年在阿姆斯特朗飞行研究中心和爱德华兹空军基地试飞并进行静音技术和安全性方面的验证。随后，从2023年起，NASA会让飞机经过美国部分城市的上空，收集大众对噪音的反馈情况。这些信息将为美国和国际监管部门提供超音速飞行监管依据。

X-59主尺寸及主要性能参数如下所示，飞机长29米，翼展9米，最大起飞重量14700千克，安装一台通用电气F414加力涡扇发动机，最大速度1.5马赫，并能在16800米高空以1.42马赫的速度持续巡航。为了降低成本并加快研制速度，该机的座舱、弹射座椅和座舱盖来自诺斯罗普T-38教练机，起落架则来自F-16。

X-59主尺寸及主要性能参数

X-59采用了低音爆气动外形，飞机主翼前面有一对小前翼，它们可以对冲击波进行整形，并防止它们在飞机后面聚结。配合X-59的狭长机身，它能将飞机发出的噪音降低到75分贝（PLdB）以下，相当于汽车关门的声音。

低音爆气动外形也让X-59做出了颇多妥协，如夸张的长机鼻阻碍了座舱前向视野，而采用可调机鼻又将导致重量和复杂性的上升，因此该机采用了增强型飞行视觉系统（EVS），由一台33°x 19°视角的前向4K摄像机为飞行员提供视野，由另一台柯林斯EVS-3600多光谱成像系统来提供降落视野。

采用EVS的驾驶舱

为了提供低音爆外形所需的光滑船底机腹，X-59只能把发动机进气口安装在机背，但涡流引起的进气气流变形将成为一个问题。

Overture

Overture是航空初创公司Boom Supersonic正在研发的一款商用超音速客机，如上图所示。Boom Supersonic公司设想飞机机长52米，翼展18米，以2.2马赫（每小时2715公里）的速度行驶，航程8300公里，载客55至75名。Overture运用了空气动力学、涡扇发动机设计和燃油效率提升方面的最新技术成果，计划在2020年代中期首次试飞。为测试和完善Overture的最终设计，并确保Overture的效率、安全性和可靠性，公司开始研制Overture超音速客机的1:3比例原型机XB-1。

XB-1设计机长21米，翼展5.2米，最大起飞重量为6100 kg，采用碳纤维、环氧树脂等轻质复合材料制成。飞机基本结构如下视频所示：

XB-1研制进度如下表所示，目前XB-1上的飞行控制系统和发动机已经完成，该公司现在正在对驾驶舱结构进行最后的修改，机身仍剩大约一半的工作，机翼结构也还有大约三分之一的工作。Boom Supersonic公司计划于2020年晚些时候试飞XB-1。

除上述“近期即将”推出的超音速民机研究以外，还有一些远期超音速民机研究项目也在开展。例如2018年年底，欧洲联合俄罗斯、澳大利亚和巴西等国，通过“高超声速飞行试验-国际合作”（Hexafly-Int）项目，完成了一型马赫数7～8级高超声速滑翔飞行平台概念方案的评审工作。该项目计划试飞一型速度马赫数7～8、无动力的滑翔飞行平台缩比样机。该样机计划在2020年进行试飞，其远景目标是发展一型能够2～3小时内从欧洲飞至亚洲和澳洲的高超声速民机。

Hexafly-Int项目滑翔飞行平台缩比样机组成

总结：近年来，随着信息技术、材料技术、发动机技术等先进技术的快速发展和应用，传统制约超音速民机发展的问题逐渐消失，国外主要飞机制造商波音、空客等公司都积极投入超音速民机的研制中。我国作为后发航空大国，发展超音速民机及相关先进技术，市场及技术意义重大。