令人烦恼的音爆是如何形成的？

2000年7月25日，一架协和号飞机在起飞时发生故障，爆炸后坠毁于机场附近的旅馆，机上100多人全部遇难。这场空难使得协和号从此一蹶不振。三年后，这款史上唯一进行商务运营的超音速客机黯然退役了。

协和号惨淡收场的原因很多，比如作为商务客机，其日常维修费用高昂、耗油率高，成本居高不下，而这里面还有一个非常重要的技术原因，那就是协和号一直无法减小音爆，这使得它只能在海面或者无人居住地区的上空才能以超音速的速度飞行，航线受限，无法进行规模化运营。

音爆问题是所有超音速客机都面临的难题，如果这个问题不解决，那么超音速客机将很难在民用航空领域占有一席之地。

惹人厌的音爆

音爆现象早就为人们所熟知，但在研制超音速客机之初，人们错误地以为，只要飞得足够高，音爆的影响应该不成问题。但在试飞3马赫（1马赫=1倍音速）的B-70轰炸机时，这个天真的想法被粉碎了，因为2万米（普通民航一般不会超过1.2万米）高空飞行的B-70仍然能够产生强烈的音爆。

1964年7月24日，为了测试音爆对居民生活的影响，美国联邦航空管理局和美国空军在俄克拉荷马市开始了为期6个月的音爆试验。每天，超音速飞机在城市上空飞驰而过，并产生8次音爆，以测定音爆对居民生活的影响。由于人们事先得到了通知，并且知道音爆的准确时间，所以开始时大家并没有太在意。甚至有人戏言，只要听到音爆，就知道喝咖啡的休息时间到了。但是没过多久，房屋的玻璃开始被震碎，墙壁开裂，市民们震怒，投诉和索赔像雪片一样飞进各级政府和主持试验的美国联邦航空管理局。美国联邦航空管理局至少收到了15452起投诉和4901次索赔，但却置若罔闻。这进一步加剧了市民的愤怒，此次事件很快发展成政治事件，最后市民直接将政府告上了法庭。

俄克拉荷马市的音爆试验使超音速飞行陷入了极端负面的公众舆论的沼泽，这为日后美国和欧洲等地禁止民航在大陆上空超音速飞行埋下了种子。

音爆是如何形成的？

那么，这令人烦恼的音爆是如何形成的呢？

我们知道，飞机前行时会压缩前方空气，形成压力波，犹如投石湖中，泛起涟漪一样。压力波以音速传播。当飞机以0.8马赫以下的速度飞行时，压力波飞在飞机前面，在一定程度上起到把前方空气推开的作用。但若飞行速度升至音速时，前方的压力波“避闪不及”，便会叠加在一起。由于空气高度压缩，水的沸点升高，空气中的水蒸气析出变成液态水，形成雾状的“音爆云”。音爆云像紧身衣一样，牢牢地抓住机身的突出部分，致使飞机的阻力骤升，飞机就像撞到一堵墙上一样（此时形成的声波屏障又叫“音障”）。如果飞行速度继续提升至1.2马赫以上，机头便会粗暴地撞裂这件“紧身衣”，跑到压力波前面去。此时机头处的空气压力急剧升高，就像水中前进的快艇头部会出现楔形或锥形波，机头处也会形成锥形的前激波。随后压力开始下降，到达机尾处时压力降至最低，呈负压，过机尾后压力又骤然恢复到常压，形成后激波。所以，突破音障后，飞机整个机身的压力分布呈骤升-缓降-骤升的N形，所以常被称为N形波。

我们知道，炸药爆炸的巨大响声其实就是空气被骤然压缩的结果。N形波的前激波和后激波也都是空气被急剧压缩所致，所以传到人耳里，就是强烈的爆炸一样的声音，“砰砰”的接连两声，是为音爆。超音速飞机一路飞，飞机前面的突出部位就不停地撞开空气，空气又不停地在机尾处闭合，于是音爆就在地面一路不停地炸响下去。

目前，业界使用“感知分贝水平”（PLdB）來衡量音爆的大小。协和号飞机的PLdB水平高达到105，足以震碎地面居民的窗玻璃。研究人员普遍认为，PLdB75是陆地上空超音速飞行的可接受值。

但是这一标准并不容易达到，或者说，迄今为止还没有超音速的商务机能达到这一标准，因此，许多国家和地区是禁止客机在大陆上空以超音速飞行。

想要卖出超音速飞机，就必须保证它在陆地上空的飞行速度也要超过音速，否则超音速飞机是没有市场可言的。所以，世界各国的航空工程师们都正卯足了劲，想法设法消除或者减轻音爆，以期超音速客机飞行的时候动静能小点儿。

减弱音爆的思路

早在上世纪70年代初开始研究激波特性的时候，美国宇航局和康奈尔大学的科学家们就发现，只要对机型进行精细的设计，就可以利用机身各部位产生的激波的差异，诱使它们互相对消，使最后传到地面的N形波的强度减小，以减低音爆的影响。遗憾的是当时的计算机能力有限，这个设想没能实现。2003年，美国宇航局和国防部高级研究计划局合作，重启了音爆研究计划，验证了这个想法的正确性。试验表明，他们的方案可以将音爆强度降低1/3左右。

最简单的方法就是增加机鼻长度。伸长的机鼻（飞机最前端的部分，主要作用是调整气流，使之平滑）可以有效地将N形波转化成一系列弱的激波。这降低了前激波的强度，减弱了音爆的第一声巨响。这个设想已经应用在一系列超音速战斗机上，但在客机上的应用尚处于起步阶段。2006年，湾流公司与美国宇航局合作开发的、最快巡航速度可达1.8马赫的“安静长钉”，就采用了这一构想。“安静长钉”的原型是波音F-15战斗机，加上了个可伸缩的机鼻。机鼻展开长24英尺（约7.3米），由碳纤维复合材料制成。在飞行的过程中，机鼻可以展开，成功将前激波转化成3个小的激波，减小了音爆。

此外，音爆的大小与飞机的重量成正比，所以，一些飞机制造商偏向于设计小型的超音速飞机。例如，美国超音速航空国际公司和洛克希德·马丁航空航天公司合作研制的“安静超音速公务机”（QSBJ）就是小型飞机。它只能容纳10名左右的乘客，但据说它的噪音却比协和号低得多，地面的人们基本不会注意到。

马赫截止，让音爆无法达到地面

所有机身外形调整的最终目的都是降低前后激波的强度，将N形波转化成平滑的S形正弦波，使不和谐的音爆变得柔和，或者几不可闻。但这是非常艰巨的任务，而且根据传统的观念，飞机的低音爆和高性能是不可兼得的，也就是说低音爆的设计通常性能不佳。于是美国的亚利安航空公司决定另辟蹊径，它试图应用马赫截止现象来实现超音速商务机的静音飞行，而不采用复杂的降低音爆的外形设计。

音爆是无法消除的，但是根据科学家们计算，当飞机速度为1.15马赫左右，飞机高1万米时，激波会在1500米（具体的数值与大气温度和飞行高度和速度密切相关）左右的高度处向上反弹，这一现象被称为马赫截止现象。激波无法到达地面，人们也就听不到音爆了。这个方法唯一的缺憾是它的成本太高了，目前还无法普及。

此外，美国宇航局除了研究低音爆设计外，最近还在研究音爆聚集现象，即控制超音速飞机加速、减速时形成的强烈的“超级”音爆，使其只在地面上某一个地方可以听到。如果这个地点可以准确预测，那么就可以调节航线，使音爆发生在对人类影响最小的地区——海面或者荒漠。

虽然还有许多障碍需要克服，但是趋势很明显，安静、高效率的超音速运输机已经触手可及。根据各大飞机制造商们公布的时间表，如果进展顺利，那么未来10年内，将至少有3款超音速公务机完成首飞，投入市场。到那时，从北京到洛杉矶就只需要7个小时，比现在13个小时缩短了约一半。