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50年后 超声速客机又将卷土重来?

来源:彰化X网 发布时间:2020-05-23 02:38:36

2019年刚好是“协和”客机50周年。7月20日,纹身会上法国巡逻兵飞行表演队为了纪念“协和”客机,还专门在天空摆出了协和的标志。“协和”客机是人类追求速度巅峰的极限之作!

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1969年3月2日,第一架“协和”飞机从法国图卢兹起飞

回顾世界民用航空发展史,民航客机的飞行速度一直呈不断提高的态势,其诞生之初的时速仅为数十、上百千米,到20世纪50年代美国波音707喷气客机面世后,将飞行速度提高到高亚声速。但是自此以后,现代民机的飞行速度就停滞不前,并一直持续至今。

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美国波音707喷气客机

尽管这期间也曾出现过前苏联图-144、欧洲“协和”等超声速民机,但二者均只是昙花一现,被视作“技术成功、商业失败”的典型,没有大量投入商业运营,其后继机的出现也遥遥无期。

在当今时代,随着世界各国经济的发展以及国家间、民间各种交往的日益频繁,传统亚声速民机的性能弊端日显暴露,在很多方面已经难以适应时代要求,对新一代超声速民机的需求也越来越迫切。

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前苏联图-144

国外超声速民机发展历程及近况

自20世纪70年代以图-144、“协和”为代表的第一代超声速民机问世以来,相关国家对新一代超声速民机的研究从未停止。尤其是从20世纪90年代中期起,世界范围内再次出现了一股延续至今的超声速民机研制热潮,目前美国、俄罗斯、欧洲、日本等均在开展新一代超声速民机相关技术研究,并取得了不同程度的进展,其中美国处于明显的领先地位。

1、世界第一代超声速民机发展回顾

世界超声速民机的发展最早可以追溯到20世纪50年代。当时随着喷气发动机、后掠翼等技术的采用,战斗机、轰炸机等军用飞机相继实现了超声速甚至两倍声速飞行,美、苏、英、法等国随即纷纷开始了超声速民机的研制,以期抢占未来超声速航空运输市场。

到70年代,前苏联图-144和欧洲“协和”相继研制成功并投入商业营运,代表着世界第一代超声速民机发展热潮的到来。但囿于当时的技术条件,这两种飞机均存在油耗高、航程短、载客少、使用成本昂贵、起降噪声大、声爆问题严重等缺陷,因而均没有大批生产。

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前苏联图-144

其中图-144曾先后两次发生机毁人亡的严重事故,致使其距首飞不足10年即停止了客运服务,并最终于1984年全部退出商业航线飞行。

“协和”尽管曾长期是世界唯一进行商业运营的超声速民机,但由于该机经济性差,需要英法两国政府补贴才能维持飞行,到2000年7月该机发生坠毁事故后,加上随后“9·11”事件的冲击,最终于2003年全部退役。

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1969年3月2日,“协和”飞机首飞

在图-144和“协和”研发期间,美国也曾根据其“国家超声速运输”计划推出了波音2707超声速民机,该机载客量较图-144/“协和”增大一倍(达250人),航速也提高到Ma2.7,并且具备洲际航程,然而由于市场前景不明,加上同期亚声速喷气客机的发展成熟,该机研发工作于1971年被中止。

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波音2707超声速民机

2、美国超声速民机研究近况

为了抢占世界民机技术发展的制高点,维持自身在相关领域的领先地位,美国多年来一直没有停止超声速民机相关技术的研究。但鉴于先前过于强调超声速民机的大型化、高航速、远航程而带来研制技术难度过大的问题,目前美国已经将关注重点放在小型超声速民机、尤其是超声速公务机上,而将发展高速大型超声速民机的目标推迟到更长远的未来去实现。

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美国Aerion公司超声速公务机

目前美国正在开展三型航速Ma1.6~1.8、载客量8~18人的超声速公务机的研制。其中,超声速航宇国际(SAI)公司的“安静超声速运输机”(QSST)采用了一种外形独特、类似盒式机翼的布局,可有效缩减超声速飞行时的声爆强度,该机原计划2018年交付使用,但目前进度已经推迟;

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美国超声速航宇国际公司安静超声速运输机

阿尔利昂公司的AS2超声速公务机是在该公司先前的“超声速喷气公务机”(SBJ)方案基础上改进发展而来,将原来的双发布局改为三发布局,并且换装了GE公司专门研制的新型 Affinity涡扇发动机,同时机身也有所增大,该机预计将于2023年交付使用;

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阿尔利昂公司AS2超声速公务机

斯派克航宇公司的S-512超声速公务机采用了细长机身、大后掠翼、无平尾、双发动机尾吊布局,并且取消了客舱窗户以减轻机身重量,需要通过摄像头向乘客展示外面场景,该机预计将于2023年交付使用。

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斯派克航宇公司S-512超声速公务机

与此同时,美国博姆技术公司正在研制一种名为Overture的小型超声速民机,该机外形与“协和”相似,采用细长机身、无平尾、大后掠三角翼布局,配装三台发动机(两台吊挂在机翼下,一台位于垂尾根部),载客55~75人,巡航速度可达Ma2.2,航程达8300千米。

Overture已经获得维珍银河、日本航空公司等至少5家航空公司的数十架订单,其原型机预计将于2023年首飞,目前博姆公司正在使用一架编号为XB-1的缩比验证机进行相关的技术测试。

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博姆技术公司50座级三发超声速飞机

此外,美国波音公司还于2018年6月推出了一种高超声速民机概念方案,该机将采用大后掠三角翼、双垂尾、乘波体布局,略小于波音737客机,飞行速度可达Ma5,飞行高度超过29000米。按波音公司计划,该机将在2020年代中期进行相关的验证机测试,在2040年前后实现商业运营。

3、俄罗斯超声速民机研究近况

继图-144之后,前苏联从1979年开始着手研制可载客300人、航程10000千米的新一代图-244超声速民机。该机采用了更先进的气动布局、动力装置、机体材料和航电系统,其性能较图-144大幅提升,但由于苏联解体带来的一系列影响,该机研制工作在1993年中止。

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前苏联图-244超声速民机

随后俄罗斯将超声速民机研究重点放在技术难度相对较小、成本费用也相对较低的超声速公务机上,并在20世纪90年代至21世纪初的10多年间,先后推出了一系列超声速公务机概念方案。

其中主要包括:米格设计局的米格70.1“多用途远程截击机”(MDP)改型、米格210方案,图波列夫设计局的图-344(由图-22M轰炸机改型)、图-444方案,苏霍伊设计局的S-21、S-51方案。但由于资金、技术和市场等方面原因,这些超声速公务机方案最终均没能转入正式研制。

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图-444线描图

目前俄罗斯中央流体动力研究院、苏霍伊设计局、图波列夫设计局等机构仍在开展新型超声速公务机/小型客机的相关研究,其中包括6~8座、12~16座、60~80座等不同级别的飞机。与此同时,俄罗斯也没有放弃其由军机改型发展超声速民机的做法,研究在图-22M、图-160轰炸机基础上派生发展超声速公务机的可行性。

与先前不同的是,这些新型超声速民机在研制中将非常重视改善环保性,以满足相关国家的适航标准,为此将采用一系列先进技术。按照俄罗斯工业界的评估,在今后10余年内,随着相关技术问题逐步得到解决,其新一代超声速公务机/小型客机将会陆续面世。

4、欧洲超声速民机研究近况

欧洲在航空领域保持着技术创新的传统,他们对于未来民用航空的重要发展方向之一——超声速/高超声速飞机也一直予以高度重视。自“协和”于2003年退役以来,英、法等国就一直在探讨该机后继机的发展。

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协和客机

2005年9月,空客公司曾提出一种载客250人、时速约2400千米、最大航程可达9600千米的大型超声速民机方案,尽管该方案没能付诸实施,但随后欧洲陆续实施了多个超声速飞行器技术研究计划,为今后研发新一代超声速民机奠定了坚实的基础。

从2005年春季开始,欧洲航天局开始分两阶段实施“长期先进推进概念与技术”(Lapcat)计划,研究提高民机飞行速度、缩减其空中飞行时间的有效技术手段。在该计划的第一阶段(Lapcat I),研究人员分别对马赫数4.5、5和8的三种概念飞行器进行了前期研究;在第二阶段(LapcatⅡ),研究人员进一步对马赫数分别为5和8、载客量均约300人的两种飞行器开展后续研究。

在2011年巴黎航展期间,欧洲EADS公司公布了一种巡航速度Ma4、巡航高度32000米的“零排放近高超声速运输机”(ZEHST)概念方案,该机可通过在不同飞行阶段分别采用3种不同类型的发动机,并且使用新型生物/液氢燃料来减少排放、降低噪声,从而满足今后世界各国对民机环保性的苛刻要求。按计划,ZEHST将在2020年后进行技术验证,到2050年左右可投入使用。

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EADS公司公布的“零排放近高超声速运输机”(ZEHST)概念方案

同样是在2011年巴黎航展期间,英国Hypermach公司推出了一种名为“声速星”(SonicStar)、平飞速度达Ma3.6(今后可提高到Ma4)的超声速喷气公务机方案。该机为了满足节能环保方面的要求,采用了一系列创新技术,其中最具特色的有两项:可削减超声速飞行时声爆强度并降低气动阻力的等离子体气动控制技术,针对今后飞行环境而专门优化设计的S-MAGJET 4000X电动-燃气涡轮混合动力发动机。按计划,“声速星”将于2021年6月前首飞,2025年投入使用。

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声速星”超声速喷气公务机方案

5、日本超声速民机研究近况

日本多年来一直在致力于新一代超声速民机技术的研究开发。为了对相关技术进行研究验证,日本航宇研究开发机构(JAXA)在1997~2006年间主导实施了“国家超声速运输机试验”(NEXST)计划,随后又开展了后续的“静音超声速技术论证”(S3TD)计划。

在这两项计划中,JAXA以无人机作为空中试验平台,对超声速减阻、气动外形优化、复合材料、飞控系统、动力装置等技术进行了验证测试,其目的是使飞行器具备低声爆、低噪声、低排放、超声速巡航飞行能力,以促进新一代超声速民机的研制。

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日本超声速客机

在S3TD等计划所验证的技术基础上,JAXA提出了一种高升阻比、低噪声、巡航速度Ma2以上、载客200~300人、航程为11000千米的超声速民机方案。与“协和”飞机相比,该机声爆强度降低50%、噪声降至1/10、NOx排放降至1/4,而运营后的票价仅相当于目前波音747飞机的1.3倍。

在自行研制的同时,日本也在寻求与欧美国家在超声速民机技术领域展开合作。2005年日本与法国曾联合提出了一种“协和”后继机概念方案。到2011年,日、法两国再次推出了一种外形与“协和”相似、载客60~100人、采用3组7台发动机(可在不同飞行阶段使用不同发动机)、航程为“协和”2倍左右、噪声和氮氧化物排放也大大改善的超声速民机方案。该机目前仍处于初步研究阶段,其原型机预计将在2020年后面世。

我国超声速民机未来发展建议

对我国来说,由于历史原因,在超声速民机研发和使用领域基本为空白,研发具有我国自主知识产权并与世界先进水平同步的超声速民机有必要尽早提上议事日程。

1、国产超声速民机研发有必要尽早上马

从我国国民经济和社会发展的实际需要来看,尽早研发超声速民机并将其投入使用,将非常具有现实意义:有助于形成覆盖全国的“首都100分钟经济圈”,全面提升首都的辐射带动功能,缩小国内地区差距,实现区域协调发展;有助于打造覆盖亚太地区的“首都200分钟经济圈”,加强我国同周边、亚太地区各国的交往并实现区域经济一体化发展;有助于形成覆盖世界主要国家的“全球一日经济圈”,促进我国同世界各国在经济、文化、科技等领域的交流与合作,顺应我国经济深度融入世界经济的趋势。

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宽体机

通过研发超声速民机,还将可以顺应市场需求,进一步完善我国民机产品谱系,形成“支线飞机—窄体干线飞机—宽体干线飞机—大型宽体飞机—超声速飞机”的完整格局,为我国今后开拓国内外民机市场奠定更加坚实的基础。尤其是对于目前正在不断增长的公务机市场和洲际航线市场来说,对超声速民机有较大的需求。

此外,与其他大型民机一样,超声速民机的产业链条很长,可以带动机械制造、电子、冶金、化工、材料、能源、信息等多个产业部门的发展和技术进步;同时,超声速民机作为世界民机领域的“巅峰”产品,代表着全球工业制造业的最高科技水平,也是一个国家科技工业水平和综合国力的重要标志。因此对我国来说,发展超声速民机,不仅可以充分发挥其对国家经济和科技发展的带动作用,而且对我国、高科技领域乃至整个国家形象的提升也将具有重大现实意义。

2、我国超声速民机技术预研亟待加强

民机预研对提高和保持民机产品的技术先进性、缩短产品研制周期、提高产品的市场占有率均具有非常重要的现实意义,对超声速民机来说也同样如此。如前所述,欧美国家、俄罗斯和日本普遍高度重视超声速民机关键技术的预研,多年来实施了一系列相关研究计划,从而为其适时进行超声速民机型号研制奠定了可靠的基础。尤其值得注意的是,目前美国不仅正在开展多型超声速公务机/客机的研制,还已同步开始进行超声速飞行声爆强度的公众反应测试,并将其收集获取的数据提供给美国联邦航空局(FAA)和国际民航组织(ICAO),以供后二者制订和修正商用飞机陆上超声速飞行的相关适航法规,从而为超声速民机执飞陆地上空航线扫清道路。

相比之下,我国在超声速民机技术领域尚未形成系统的研究体系,多年来只是在部分科研院所和高校实施一些研究,导致相关领域的技术储备相对薄弱,难以为我国今后开展超声速民机型号研制提供必要的技术支撑。鉴于此,将有必要从国家层面加大对超声速民机关键技术研究的支持力度,着实贯彻“生产一代、研制一代、预研一代、探索一代”的民机发展思路,围绕“绿色环保”这一世界民机未来发展的主要方向,并结合国家的民用飞机产品发展战略,瞄准今后20~30年国产民机发展目标,尽快制订出与欧美国家、俄罗斯类似的未来超声速民机技术重大基础研究计划,以便今后能系统地、有针对性地开展各种关键技术研究。

3、我国超声速民机发展技术路线及原则

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NASA的超声速飞机

进入21世纪以来。美国国家航空航天局(NASA)在制订其未来超声速民机发展规划时,根据多年来的经验教训,放弃先前一步到位、力图在所有性能指标上全面超越“协和”等第一代超声速民机的思想,而选择了“由小到大(公务机→小型客机→较大型客机)、由慢到快(Ma1.6~1.8→Ma2→更高)、由近到远(航程跨大西洋→跨太平洋)”的发展途径,通过N+1、N+2和N+3代飞机“三步走”、分阶段实现多年来的超声速民机发展目标。

近年来欧洲、俄罗斯、日本在探讨论证其新一代超声速民机发展的同时,均在酝酿研制中、小型超声速喷气公务机,并希望以此作为今后发展大型超声速民机的中间步骤和突破口。

对于我国来说,同样也可以考虑借鉴美国NASA“三步走”超声速民机发展战略,本着“先小后大、先慢后快、先近后远、先易后难”的技术路线,从技术难度和复杂程度相对较低、较小较慢的超声速公务机入手,然后逐步增大飞机尺寸重量和飞行速度,最终向大型超声速、高超声速民机甚至空天飞机迈进。(中国航空研究院 李岩 陈黎 徐悦)