超音速客機
超音速客機（英語：Supersonic Transport，SST）是指能夠實現以超過音速飛行的民航飛機，歷史至今僅有兩種超音速客機曾經批量生產並投入商業營運，分別為英國、法國聯合研製的協和飛機，以及蘇聯的Tu-144飛機，均在1960年代末出現。但超音速客機自問世以來一直備受成本效益、環境破壞等因素困擾，並未有大規模推廣使用。圖-144在1978年6月進行最後一次載客飛行後離開商業營運的舞台，而協和飛機在2003年11月26日進行最後一次的商業飛行。隨着協和飛機的正式退役，自此世界上再沒有提供商業營運的超音速客機。
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但由於超音速客機比普通民航機具有更高的速度和效率，因此一直吸引着不少飛機製造商的注意和興趣，而實際上對新一代超音速客機的摸索和研究並沒有停止過。但以目前的航空技術，研發新一代經濟、可靠的超音速客機尚會遇到不少挑戰，主要是噪音嚴重（多由於音爆）、龐大的研發和生產成本支出、高油耗、高使用成本、高維修成本、對環境破壞的隱憂、對臭氧層構造的擾亂等。但目前隨技術進步，加上新興市場國家與傳統西方距離遙遠，小型超音速客機在惜時如金的私人飛機市場上已經出現一定的前景，使得超音速運輸方式以另一種面貌重新回歸。
發展歷史
編輯背景
編輯1950年代起，隨着亞音速噴氣式客機的普及，波音707、道格拉斯DC-8、快帆（Caravelle）等噴氣式客機趨於成熟，以及第一種實用化的超音速軍用飛機——F100「超佩刀」戰鬥機的出現，民航界就不斷追求飛行速度的提升，超音速客機在當時被普遍視為未來的發展路向，對超音速客機的市場前景也十分樂觀。從當時的航空技術角度來看，超音速客機的構想是可以實現的，另一方面社會大眾及航空公司對超音速客機普遍抱有正面的態度。有一點是各方都有共識的，就是超音速客機相當適合中長程的航線，如果飛機能比現有的亞音速客機速度提高兩倍以上，將大大縮短長途飛行的時間，提高速度所帶來的經濟效益將大於燃油消耗的增加。理論上，相比普通亞音速客機，飛行速度高三倍的超音速客機，可以在相同時間內在同一條航線上運送同等數量或者更多的旅客，從而取代三架亞音速客機或騰出用於其他航線，並在人力和維護方面減低成本，因此以時間換取效益就是超音速客機的經濟動力。
早期研究
編輯歐洲
編輯超音速客機的實際研究工作始於1950年代中期，當時第一代超音速戰鬥機正開始服役，航空技術對於超音速飛行有了更多的認識。在歐洲，英國和法國政府均以補貼的形式支持國內飛機製造商研究超音速客機的方案。1956年，英國政府成立了超音速運輸飛機委員會（Supersonic Transport Aircraft Committee，STAC），聯合了英國皇家飛機研究院（Royal Aircraft Establishment，RAE）和布里斯托飛機公司（Bristol Aeroplane Company）進行研究，開始探討開發超音速客機的可行性，研究集中在超音速客機的技術問題和經濟性問題。1959年，委員會得出了初步結論，認為超音速客機在技術上是可行的，超音速客機只有在相當的載客量的遠程航線上運營才比較經濟，航程以歐洲西海岸到美國東海岸為基準航線時，速度以2.2倍音速為宜。如果速度更低將難以保證在倫敦和紐約之間當天來回，大大減低超音速旅行的吸引力。速度更高將超過鋁合金的耐熱能力，需要採用不鏽鋼或鈦，在技術上未知數太多[1]。
當時英國的布里斯托飛機公司並根據委員會的建議，提出了布里斯托198（Bristol 198）計劃，裝備6具渦輪噴氣發動機、可載130名乘客並以超音速進行跨大西洋飛行。但由於這種設計理論重量過高，而且裝備6具發動機的經濟性備受質疑，隨後布里斯托飛機公司又推出了布里斯托198的縮小版本——布里斯托223（Bristol 223），設計是一種採用三角翼、裝備4具發動機、巡航速度為2馬赫、可載客約100人並能夠進行跨大西洋飛行的超音速客機[2][3]。阿姆斯特朗-惠特沃斯飛機公司（Armstrong Whitworth Aircraft）更提出了一個更為激進的方案，這個方案採用M形機翼（M-wing），機翼從翼根開始前掠，到一半翼展以外改為後掠，並採用了按跨音速面積率的蜂腰設計。這種構型雖然前衛，但設計最高速度只有1.2馬赫，最終不了了之[4][5]。而此前加拿大阿弗洛公司（Avro Canada）也曾經幾種超音速客機的設計方案予環球航空選擇，其中包括了設計速度1.6馬赫的S型前緣機翼方案，以及設計速度為1.2馬赫、帶有水平尾翼的三角翼方案，隨後加拿大阿弗洛公司的設計團隊和方案轉往英國，並成為霍克·西德利公司的設計[6]，但最後委員會選擇了布里斯托的方案，霍克·西德利的超音速客機也就沒有了下文[7]。法國方面，以戴高樂總統為首的法國政府也大力支持法國的國營飛機製造廠研製超音速客機。法國南方飛機公司（Sud Aviation）和達索公司聯合進行研究，提出了超級快帆（Super-Caravelle）的設計方案。「超級快帆」與布里斯托223十分相似，也是一種採用三角翼、巡航速度為2.2馬赫、可載客約70人的中程超音速客機[2][8]。
至1960年代初，英法兩國開始就超音速客機計劃達成共識並開展合作，主要是因為兩國的設計方案十分接近，在速度、航程、氣動布局等方面均有極大的相似性，合作研製有助於平均負擔費用。另一方面，當時波音707、道格拉斯DC-8迅速占據歐洲民航客機市場的大量份額，法國總統戴高樂不願意看見歐洲市場被美國飛機製造商壟斷，因此也鼓勵兩國合作，加快研發進度，爭取在美國的超音速客機出現之前搶占市場。在法國總統戴高樂和英國首相麥克米倫提議下，合作計劃草案於1962年11月28日正式簽訂，最終成就了協和飛機（Concorde）的出現。
蘇聯
編輯蘇聯的超音速客機研製計劃在1960年代初開始，1963年經赫魯曉夫和蘇聯部長會議批准後正式立項，由圖波列夫設計局負責，定型為圖-144，起步較協和飛機晚了兩年。圖-144在1968年12月首飛，比協和飛機早了兩個月。1969年6月首次達到超音速，成為世界上第一種超音速客機。而協和飛機在1969年3月首飛，同年10月進行首次超音速飛行。
美國
編輯作為一個超級大國，美國已經在1950年代的噴氣式客機的市場上先奪頭籌，對超音速客機也是雄心勃勃，波音公司也早在1952年起開始對超音速客機展開研究工作[9]。來自歐洲、蘇聯的挑戰也令美國政府不敢怠慢，美國太空總署也在1962年啟動了「超音速航空運輸」（Supersonic Commercial Air Transport，SCAT）計劃，自行研究超音速客機。1963年6月5日，時任美國總統肯尼迪正式成立「國家超音速客機計劃」（National Supersonic Transport，NST），並承諾美國政府將資助超音速客機研製經費的75%，意圖研製出比協和飛機、圖-144更先進、載客量更大、速度更快、航程更遠的超音速客機。設計請求相繼發往美國各主要飛機製造商，競爭廠商包括波音、洛歇、北美航空，從而出現波音2707和洛歇L-2000這兩個最著名的設計方案，1966年美國聯邦航空局選定了波音2707作進一步的發展。
挑戰
編輯
1960年代是一個動盪、嬉皮士的年代，環境保護的意識正同時在美國和歐洲在抬頭，公眾反對超音速飛機造成音爆、破壞臭氧層的抗議越來越激烈。一名反對超音速客機的美國物理學家，威廉姆·舒克利夫（William Asahel Shurcliff），編寫和發布了一本名為《超音速客機與音爆手冊》（SST and Sonic Boom Handbook[10]）的書籍之後，聲稱超音速客機每一次飛行都會造成一個長2000英里、寬50英里的音爆區（bang-zone）[10]。1971年，儘管超音速客機計劃受到美國總統尼克松支持，但美國參議院、美國國會均否決了進一步撥款，取消了波音2707的研發，與此同時也打擊了協和飛機。最初以「跨大西洋超音速運輸飛機」為目標而研製的協和飛機，被美國國會決議禁止在美國著陸。1976年，美國的態度才開始軟化，開通了倫敦、巴黎—華盛頓的定期航班。1977年10月，紐約的禁令才正式解除，同年11月正式開通了倫敦、巴黎—紐約的定期航班[11]。
圖-144雖然搶先與協和飛機首飛，但問題不少，反而晚於協和飛機投入商業營運。一架圖-144在1973年的巴黎航空展墜毀，以及各種故障都多次推遲飛機投入營運。圖-144在1977年12月開始載客營運，開通莫斯科—阿拉木圖的超音速航線，但短短六個月後就停止了定期載客航班。
先進超音速客機（AST）
編輯1970年代中後期，當航空技術日益進步，超音速飛行對環境影響的指控被證明是誇大其詞，第二代超音速客機的研發開始浮出水面。雖然1970年代初的環境並不利於超音速客機，但美國的研究實際上仍然一直進行。三家主要的飛機製造商，包括波音、麥道、洛歇，均一直接受政府的資助。據統計，在1970年代美國太空總署已經花費了超過900萬美元投入研究，其中過半用於資助上述三家公司[12]。美國的第二代超音速客機以「先進超音速客機」（Advanced Supersonic Transport，AST）為名，三家公司都提出了自己的方案。波音、洛歇分別以波音2707、洛歇L-2000為基礎進行改進，道格拉斯則推出DC-AST方案，而三個方案均大同小異，但尺寸比第一代要大得多，目標載客300人以上，而且速度更高，DC-AST設計速度為2.2馬赫，而洛歇、波音的設計更分別追求2.55馬赫和2.7馬赫，更大範圍的使用鈦合金。第二代超音速客機並以減輕噪音、提高燃油效率為目標，設想使用通用電氣的變循環發動機（Variable-cycle engine，VCE）。與此同時，蘇聯的圖波列夫設計局也推出圖-244的構想，目標載客250至320人，巡航速度2.2馬赫，最大航程達9200公里，但沒有太多實際進展。
然而時移世易，此時超音速客機在經濟性方面已經難以和普通高亞音速客機競爭。當超音速客機在1960年代出現的時候，主要的競爭對手是以波音707為代表、載客100至200人的遠程亞音速客機，以速度和載客量來衡量，超音速客機仍然有一定優勢。但隨着以波音747為代表、載客300至400人的新一代亞音速寬體客機在1970年代起迅速普及，若從人均飛行成本的角度超音速客機已經完全不具備優勢。另一方面，在現有的技術上超音速客機在航程仍然難以和亞音速客機匹敵，隨着渦輪風扇發動機自1960年代以來的廣泛運用和日益提升的涵道比，其燃油效益已非此前的渦輪噴氣發動機所相比。因此，要實現超音速飛行無可避免要在經濟性上打折扣，成本效益更好的寬體亞音速客機更能獲得航空公司的青睞，最終「先進超音速客機」的計劃也在1980年代中取消。
高速民用運輸機計劃（HSCT）
編輯美國國家航空航天局於1990年啟動了「高速民用運輸機」計劃（High Speed Civil Transport，HSCT），以改進超音速客機設計為目標[13]。美國國家航空航天局聯合了波音和麥道，花費了超過九年時間，投放了過10億美元。設計指標為載客250至300人、2倍音速，務求令超音速客機的機票價格不會高於普通航班超過20%[14]。俄羅斯在1990年代中期為一架圖-144重新裝上新發動機，為HSCT計劃進行實驗以收集數據。
但經濟性仍然是航空公司最大的考慮因素，HSCT的推廣欠缺市場反應。1990年代末，已經收購了麥道的波音公司開始考慮是否繼續投資在這項計劃，後來表示將暫緩這個計劃，或許會到適當時候，或2020年再啟動。隨着波音的退出，美國國家航空航天局在1999年2月取消了HSCT，轉而為國際空間站增加6億美元資金[14]。
歐洲超音速研究計劃（ESRP）
編輯1994年4月，法國宇航、英國宇航及德國戴姆勒克萊斯勒宇航（DaimlerChrysler Aerospace）成立了「歐洲超音速研究計劃」（European Supersonic Research Program ，ESRP），研發第二代的協和飛機，並計劃於2010年投入服務，飛機被稱為「未來超音速客機」（法語：Avion de Transport Supersonique Futur）。同時，斯奈克瑪公司、勞斯萊斯、MTU航空發動機公司（MTU Aero Engines）及菲亞特集團於1991年開放合作共同為新一代超音速客機開發配套的發動機。計劃投資額限定不超過每年1200萬美元，主要是由幾家公司共同投資，研究內容包括材料、空氣動力學、系統及發動機集成以作為參考配置。ESRP的計劃是一種巡航速度為2馬赫、載客250人、航程10,186公里（5500海里）的超音速客機，從外觀上類似一架帶有前鴨翼、加大版的協和飛機。ESRP已經已經完成初步設計，並利用小比例模型進行過風洞測試。
零排放超音速客機（ZEHST）
編輯在1990年代初，日本政府就把開發第二代超音速客機設定為重要的技術戰略之一[15]。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）發起的「次世代超音速客機」（National Experimental Airplane for Next Generation Supersonic Transport，NEXST）開發計劃於2002年正式啟動，致力於研製新一代的超音速客機，設計指標為載客300人、速度2馬赫、比協和飛機節約75%燃料並多兩倍的航程，期望能於2015年進行首飛[16]。該計畫曾在2002年時發生過測試意外——2002年7月14日，日本團隊在澳洲南部的武麥拉測試場（Woomera Test Range）以一具1/10（約11.5公尺長）的縮比模型進行首次的試射，但以火箭籌載的測試模型在發射升空後不久就失控墜毀。事後日本團隊不願針對失敗原因發表評論，但長達半年的準備工作卻付之一炬[17]。
2005年6月，法國和日本在巴黎航空博覽會上正式簽署合作協議，將NEXST項目擴展至兩國合作，由兩國的合資公司共同研製。2005年10月10日，JAXA在澳大利亞西部荒漠伍默拉試驗場再次試飛超音速客機的1：10模型，並取得成功。原型機由日本三菱重工業公司研製，全長11.5米，僅重2噸[18][19]。
經過5年聯合研製，代表法國參與研製項目的歐洲宇航防務集團（EADS）於2011年的巴黎航空展中，宣布推出「零排放超音速客機」（Zero Emission Hypersonic Transportation，ZEHST）的概念機，這種新型客機長約80米，翼展在35米至40米之間，最高巡航速度達4馬赫（約5000公里/小時）。飛機採用四種發動機，分別為兩台使用生物燃料的渦輪噴氣發動機、兩台使用液態氫氧燃料的助推火箭發動機、一台低溫火箭發動機和兩台使用液態氫的衝壓發動機。在不同飛行階段，ZHEST使用不同類型發動機。起飛階段由渦輪噴氣發動機將飛機推升到距地面5公里的空中，飛行速度達到0.8馬赫；然後切換至火箭發動機，將飛機推送到距地面20公里的高空，飛行速度達到2.5馬赫；最後切換成衝壓發動機，加速至4馬赫，飛機升至距地面32公里的高空進行超高音速巡航。這種飛機可以搭乘50至100名旅客，從巴黎飛東京只需2.5小時。ZHEST預計在2020年開始進行測試飛行，並期望能在2050年投入使用[20]。
超音速商務噴射機（SSBJ）
編輯
另一個備受關注的研究領域是超音速商務噴射機（Supersonic business jet，SSBJ）。音爆的強度除了和飛機的速度有關，也和飛機的大小成正比，所以小型噴氣機的噪音問題相對大型民航機輕微得多。另一方面，能擁有商務噴射機不外乎是企業高管和政府機構，正如協和飛機的座上客，這些乘客通常十分願意付出更多金錢來換取減少飛行時間。
俄羅斯著名戰鬥機製造商蘇霍伊與美國商務噴射機製造商灣流宇航在1990年代中期曾共同研究，達梭航太於2000年代初進入這個領域，但至今仍然未有機型投產。目前最新的SSBJ計劃包括美國Aerion公司的Aerion SBJ、超音速宇航國際和洛歇馬丁合作的靜音超音速運輸機（SAI Quiet Supersonic Transport），及圖波列夫設計局的圖-444[21]。
雲霄塔太空飛機（Skylon）
編輯英國Reaction Engines公司在在英國航天局的協助下，正在研發一種名為「雲霄塔」（Skylon）的太空飛機，最高速度5馬赫（約6125公里/小時）、可容納40名乘客、使用無碳燃料，發動機從大氣中吸收氧氣和氫氣作燃料，並以單級入軌方式進入近地軌道。如果這種飛機研製成功，將大大縮短長途航空的旅行時間，從歐洲布魯塞爾前往悉尼只需4.6小時[22]。
Boom Overture
編輯於2014年成立的美國Boom Supersonic研發名為Overture的超音速客機，並計劃於2019年推出1:3比例原型機XB-1，Boom設想Overture能以2.2馬赫（2715公里/小時）的速度飛行，比協和式飛機快10%左右，機艙可容納55名乘客，全商務艙設計。
技術挑戰
編輯空氣動力學
編輯
氣流作用為飛機提供升力的同時也帶來阻力，當飛機以音速以下的速度飛行時，飛行阻力會和阻力係數、空速的二次方和空氣密度成正比。超音速飛機的阻力除了包含了亞音速飛機同樣遇到的摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力、干擾阻力外，還有一項特別的激波阻力。當物體以音速或超音速運動時，空氣的性質會改變。飛機飛行時會對前方空氣產生壓縮，形成的壓力波（擾動波）以音速傳播。在0.8馬赫之1.2馬赫之間的跨音速階段，如果壓力波的傳播速度等於或小於飛機前進速度，導致後續時間的壓力就會和已有的壓力波疊加在一起，空氣遭到強烈的壓縮，阻力係數峰值會比0.8馬赫以下時大四倍，從而形成了激波和音障。在超過1.2馬赫之後，阻力係數反而逐步下降，和速度成反比，大約只比亞音速階段高30%至50%。
因此，超音速飛機設計的首要考慮因素是降低飛機自身的阻力係數，將飛機儘量設計成流線型，機頭設計成錐型而非鈍形，以避免在跨音速階段形成波阻極大的正激波。此外超音速飛機的巡航高度通常比亞音速飛機更高，利用空氣密度較低的空層以減少面對的空氣阻力。另一方面，超音速飛機需要更強大的動力來突破音障。
超音速飛行的特性也決定着機翼的升阻比。超音速飛行時機翼產生升力的效率會比亞音速時低，同時機翼也會成為阻力的來源。因此超音速飛機的機翼升阻比一般較小，以2馬赫實現超音速巡航的飛機，其典型升阻比大約僅為亞音速飛機的一半，儘可能滿足升力的同時也減少阻力。以協和飛機為例，展弦比為1.7，翼根相對厚度為3%，翼尖為2.15%，使其超音速飛行時的升阻比達到7.7，亞音速時升阻比達到12.8[23]。而其他亞音速客機，如波音747、麥道DC-10、空中客車A320的巡航升阻比普遍約為17。
發動機
編輯用於亞音速飛行和超音速飛行的噴氣發動機具有相當的差異。特別為超音速飛行狀態優化的噴氣發動機，能夠在超音速飛行時提供較高的燃油效率，但隨着速度的提升，燃油消耗率（SFC）仍然會相應增長。
當第一代超音速客機在1960年代面世時，亞音速客機仍然使用渦輪噴氣發動機。為了適應超音速飛行的需要，因此迎風面積較小、低涵道比的渦輪噴氣發動機是最佳選擇，以減少阻力及產生達超音速的排氣速度，而油耗較低和噪聲較少的高旁通比渦輪風扇發動機則不適合用於超音速客機[24]。由勞斯萊斯和斯奈克瑪公司聯合為協和飛機研製研製的奧林匹斯593 Mk 610型渦噴發動機，即屬於專為超音速飛行而優化的發動機，這是當時世界上推力最大渦噴發動機。當協和飛機以2馬赫速度進行超音速巡航時，奧林匹斯593型是世界上效率最高的渦輪噴氣發動機。但隨着渦扇發動機自1970年代以來的廣泛運用和日益提升的涵道比，其燃油效益已非此前的渦輪噴氣發動機所相比。然而由於渦扇發動機迎風面積大，因此高涵道比的渦扇發動機並不適合超音速客機使用，一般來說超音速飛機的發動機涵道比約0.45是屬於一個理想的情況，而亞音速客機所使用的高涵道比發動機一般為2.0或更大[25]。
目前超音速客機的另一個研究領域是脈衝爆震發動機（Pulse detonation engine，PDE）。這是一種基於爆震燃燒原理的新概念發動機，比現有的渦輪風扇發動機能提供更高的效率。美國國家航空航天局一直進行對脈衝爆震發動機的研究工作，預計採用脈衝爆震發動機的超音速客機將可達到5馬赫的速度。2008年1月，美國太空總署利用一架改裝脈衝爆震發動機的美國縮尺複合體公司（Scaled Composites）Long-EZ小型飛機進行了首次試驗飛行並獲得成功，雖然總共僅歷時十秒，但對於驗證這項技術的可行性具有重要意義[26][27]。
音爆
編輯即使超音速飛機在高空飛行，產生的音爆仍然是一個很嚴重的問題。1960年代中，美國進行的俄克拉何馬市聲爆試驗，以及美國空軍的XB-70轟炸機試驗均證明了這個特性[28]。
為了消除音爆的影響，超音速客機可以在到達海面上空之後才加速突破音障，而在內陸上空保持亞音速飛行，避免噪音對公眾造成滋擾，這也是協和飛機一貫的做法。但相比亞音速客機，超音速客機由於擁有升阻比較低的機翼、為超音速巡航而優化的發動機，除非使用一些特別的技術（如可變後掠翼），否則亞音速飛行時的效率仍然相對差得多，並消耗更多的燃油，導致經濟性奇差。
1970年代初在研究激波特性的時候，美國太空總署和康乃爾大學的研究發現，可以對機身進行精細的調整，利用機身各部位產生的激波在相位上的差異，誘使它們互相抵消，使傳遞到地面的N形波的強度減小，減低音爆的影響。但由於當時技術上的限制，難以進行實驗。2001年，美國太空總署和諾斯洛普·格魯門公司、國防預先研究計劃局（DARPA）合作，啟動「定形音爆檢驗」（Shaped Sonic Boom Demonstration）計劃。2003年，一架機身經過改造的F-5E戰鬥機進行試驗並獲得成功，其降低聲爆理論已被驗證[29]。美國太空總署希望這項技術能在未來運用至商用和軍用超音速飛機。
參看
編輯
參考書目
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- ^ Boeing 2707 SST Problems. GlobalSecurity.Net. [2010-12-03]. （原始內容存檔於2010-02-06）.
- ^ 诺·格、NASA、DARPA宣布成功验证降低声爆技术. 中國航空信息中心. 2003-09-04 [2010-12-03]. （原始內容存檔於2010-10-12）.
外部連結
編輯- （英文）The Rise & Fall Of The SST （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- （英文）Reaction Engines 公司 LAPCAT 計畫 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- （簡體中文）比聲音還快：超音速客機發展史 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）