最大挑战是音爆 高超音速运输机成研究热门

　　2011年第10期《国际航空》简介“2011直博会与直升机论坛”9月中旬在天津举行，论坛传递出一个信号，即在全国范围内建立一个以直升机为主、固定翼为辅的24小时航空应急救援服务体系的呼声很高。本期在《通用航空》专辑中报道了此次展览会，同时发表了一篇关于我国通用航空热的分析性文章，其观点颇有见地，值得一读。
　　
 

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　　高超声速飞机一直是欧美航空领域的研究热点，目前欧洲航天局（ESA）的“长期先进推进概念与技术”计划（Lapcat）和波音公司的XB-70运载飞行器都已进入第二阶段研究，NASA的低噪声试验飞行器（LEBV）正在进行飞行测试，波音公司和洛克希德·马丁公司对2025年左右投入运营的小型超声速运输机已完成了大量风洞试验。
　　
　　高超声速运输机对实现空天一体化、促进航空科技发展有重大影响。“协和”号是投入运营的第一代超声速民用客机，但在其退役8年后的今天，民用飞机依然在亚声速范围内飞行。
　　
　　市场调查结果表明，相当一部分乘客旅行时仍有高速飞行的需求，关键是航空界要研制出经济上可承受、满足环保要求且工程方面可行的高超声速运输机。欧美均在这一领域开展了多年研究并取得了一定成果，为新一代高超声速飞机的发展奠定了坚实基础。
　　
　　欧洲Lapcat项目进展
　　
　　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——高超声速运输机高度重视。早在20世纪70年代，“协和”号超声速客机就已经投入商业运营，该机退役之后，欧洲一直在探索研究新一代高超声速运输机技术。这些项目中最具代表性的便是欧洲航天局（ESA）正在研究的“长期先进推进概念与技术”计划（Lapcat），以及与之配套的材料技术研究，称之为“高速飞行轻质先进材料气动和热载荷相互作用”计划（Atllas）。目前这两个项目都处于研究的第二阶段。
　　
　　Lapcat项目的部分资助来自欧盟第七框架计划，最初目标是减少飞行时间。该项目希望能与“面向20XX的高空高速运输机”项目（FAST20XX）相匹配，该项目的合作伙伴之一德国宇航院（DLR）于2005年提出了FAST20XX项目，并获得了欧盟的广泛支持。该项目由ESA和DLR合作研究，主要设计50座左右的超声速运输机，该机型将采用垂直起降模式和液氢/液氧火箭发
　　
　　动机。FAST20XX的基本目标是将欧亚大陆之间的飞行时间缩短至90分钟之内，欧洲到美国加利福尼亚的飞行时间控制在60分钟之内，目前的研究还处于技术积累阶段。
　　
　　Lapcat项目分为两个主要研究阶段：在第一阶段，研究人员分别对马赫数4.5、马赫数5和马赫数8的3种飞行器概念进行前期研究。第二阶段（Lapcat II），研究人员将研究范围缩小为两种概念飞行器，分别是马赫数5和马赫数8的飞行器，其载客量均为300人左右。
　　
　　第二阶段（Lapcat II）马赫数5的飞行器，其设计长度为130米，推进系统采用了液氢燃料，目前还需要对推进系统设计做进一步优化。由于飞行器尺寸较大，研究人员在空气动力学设计过程中重点考虑了气动弹性变形的影响，预计将于2014年开始研发全尺寸的发动机和飞行器。燃烧领域的研究主要集中于如何减少氮氧化物排放；对于马赫数8的飞行器，研究人员正在评估3种不同的概念方案，主要探讨是采用涡轮基还是火箭基组合循环发动机，推进系统是采用背负式还是安装在机腹下方，飞行器构型是采用对称的乘波结构还是翼身融合体。3种概念方案在外形上存在较大差异：第一种概念方案的飞行器长79米，起飞重量550吨，航程达15000千米。第二种方案的飞行器基于乘波原理，长94米，起飞重量达400吨，航程为16000千米。第三种方案的飞行器长91米，最大重量达680吨，航程达16200千米。
　　
　　在项目第一阶段，研究人员发现飞行器的最佳巡航速度在马赫数5～6之间。该项目于今年5月进入第二阶段，主要研究工作将围绕金属材料和非金属机身材料的耐久性和相互之间的集成性能展开，如钛合金、镍合金、超高温陶瓷材料和陶瓷基复合材料等。
　　
　　波音公司XB-70高超声速飞行器
　　
　　波音公司提出了“高超声速空间和全球系统概念”（HSGTS）项目，主要研究既可以在大气层内重复使用也可以进入空间的飞行器，即XB-70运载飞行器。HSGTS的主要目标是降低运营成本，希望能够将每磅货物运输到亚轨道的费用由目前的1000～5000美元降低到500美元。XB-70飞行器的运行和维修方式与飞机相似，维护费用与飞机接近，而且在各种天气条件下都可以飞行，具有较高的使用率。
　　
　　XB-70采用火箭基组合循环（RBCC）推进系统、三角翼布局、串列式发动机、V形进气道，主发动机短舱能够容纳较大的传统起落架。第一阶段的主要任务是设计携带火箭基组合循环推进系统的飞行器。该飞行器的主推进系统由8台涡轮喷气发动机组成，飞行器爬升到释放高度后的速度达到了马赫数4。若以该速度飞行，飞行器不需要专门的热保护系统，所以维修简单、费用较低。研究人员目前正在进行的第二阶段工作，主要目标是实现飞行器的水平起降。这个阶段所设计的飞行器长48.2米，重量为25.1吨，其中有效载荷为9吨。采用两台背负式RBCC发
　　
　　动机，以降低热量保护系统的复杂性，便于简化飞行器再入大气层过程中的热管理。
　　
　　该飞行器底部是平的，便于更好地与第一阶段飞行器的机翼平台相匹配。当其飞至3万米的高度、飞行马赫数达到10以后，火箭发动机迅速启动，飞行器可加速飞行至9万米的高度，马赫数达到25，这样就完成了爬升到亚轨道的任务。
　　
　　XB-70项目的整体设计比较合理，但是在实际研发过程中同样面临不小的挑战，需要在未来15～20年间成功突破几大关键性难点，包括大尺寸冲压发动机的研发、马赫数10下的飞行控制系统、高温结构材料、热量保护系统，以及飞行器的耐久性和易维修性等。
　　
　　高超声速运输机面临的最大障碍
　　
　　高超声速飞行所面临的挑战是声爆。首架投入商业运营的“协和”号超声速飞机的噪声超过110 分贝，而工业界对于下一代高超声速运输机提出的噪声要求是70分贝以下，与常规飞机的噪声水平相近。
　　
　　目前，通过优化飞机外形来降低声爆的方法已经得到了验证，但在实际应用过程中依然面临许多挑战，因为冲击波的传播及噪声都会受到大气环境和飞机机动的影响。因此，研究人员需要设计一种低噪声、低阻力的飞机外形，既能满足机场对噪声的要求，又可满足高空排放的要求。
　　
　　国际民航组织航空环境保护委员会（CAEP）为飞机制定了噪声标准和排放标准，并且一直致力于声爆标准的研究，但是由于目前的技术储备不足，难以制定统一的标准。据预测，高超声速运输机的噪声标准草案和取证标准草案可能于2016年左右准备就绪。NASA目
　　
　　前正在对低噪声的试验飞行器（LEBV）进行飞行测试，为相关研究储备技术和数据，预计整个试验将于2018财年底完成。
　　
　　在NASA的支持下，湾流公司对LEBV验证机开展了初步设计工作，希望能够开发出新一代的超声速公务机。波音公司和洛克希德·马丁公司对2025年左右投入运营的小型超声速运输机进行了大量风洞试验，验证是否满足声爆和巡航效率的要求。
　　
　　波音公司设计的超声速飞机载客35人，噪声为81分贝（可以进一步降低到70～75分贝），巡航速度为马赫数1.8。洛·马公司设计的超声速飞机载客81人，航程7408千米，巡航马赫数1.6。
　　
　　由于资金有限，NASA主要负责设计工具的研究，这些工具用来设计低噪声、低阻力的飞机，其他领域的研究还包括低噪声进气道、变循环发动机和低噪声喷管等。

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