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重启人类超音速之旅 还有哪些技术问题待解

来源:科技日报2019-03-15 09:33

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  乘坐超音速客机出行是人类一直渴望实现的梦想。但随着图-144项目的终止和协和式客机停飞,宣告人类对于超音速客机的第一轮探索遭遇失败。超音速客机的概念甚至一段时间无人问津。近年来,随着航空技术的进一步发展,超音速客机再次走入人们视野,大有重出江湖之势。

  近日,航空业巨头波音公司宣布将与Aerion公司合作开发世界上第一架超音速商务飞机AS2。我国也在该领域积极探索,如中国商用飞机有限责任公司正在与西北工业大学合作突破超音速客机的关键技术问题。超音速客机为何如此有吸引力,重新实现人类超音速旅行的梦想又要克服哪些难题?

  追求更快旅行速度 我国开展系列研究

  “尽管在2003年以协和式客机为代表的第一代超音速客机由于种种原因退出了历史舞台,但是对于新一代超音速客机的研究从未停止过。”西北工业大学航空学院副教授李占科在接受科技日报记者采访时表示,美俄等多个具有航空研发能力的国家一直都在积极进行新一代超音速客机方案及其相关技术的研究,以求在未来的新一代超音速客机领域中占有一席之地。这是因为更快的旅行速度是人类永恒的追求。超音速客机在民用航空中的作用,类似于铁路系统中的“高铁”列车。

  李占科介绍,10年前,美国国家航空航天局(NASA)就在其2020—2035“N+3代”超音速客机发展规划中将超音速客机的发展分为“三步走”战略。首先是发展20座以下商务客机;接下来研发25—100座支线客机;最后是推出100座以上大型客机。当然分为三步走的发展战略也主要是基于技术发展的现状和未来发展的可行性上的考虑。目前波音公司与Aerion公司合作开发超音速商务飞机其实是处在超音速客机发展“三步走”的第一步。

  目前,除了中国商飞,国内高校及科研单位也在很早之前就开展了一系列预研工作。如西北工业大学率先成立了“超音速客机研究团队”,对声爆预测、减阻、低声爆设计方法、新概念布局与综合优化等关键技术问题进行研究,提出了15座级的小型超音速公务机初步设计方案,并对150座级大型低声爆低阻超音速客机进行了详细的方案设计。北京航空航天大学李晓东教授、南京航空航天大学张海波教授等也分别对超音速客机声爆预测、综合控制等领域开展研究。成都飞机设计研究所、航空工业第一飞机设计研究院等也参与了超音速客机相关关键技术的研究设计。

  减噪降阻设计难 动力材料问题多

  “虽然各国纷纷启动新一代超音速客机研究计划,但要形成型号还有一系列问题要研究解决。”李占科指出,首先就是声爆计算分析和预测以及声爆抑制技术。声爆是超音速飞机飞行时产生的冲击波传到地面形成的爆炸声。第一代超音速客机协和式飞机就是由于声爆太强,所以被限制不得在大陆上空进行超音速飞行,这成为其商业失败的关键性因素之一。国际民航组织(ICAO)明确指出:声爆必须降低到可接受的标准,也就是超音速客机声爆≤70分贝,才能在大陆上空飞行。声爆已经成为关乎新一代超音速客机能否被允许投入营运的技术瓶颈问题。发展和掌握精确的声爆计算分析和预测方法是开展超音速客机研究首先要解决的问题,这也是从理论上评价新一代超音速客机设计方案的声爆水平是否达标所需的基本工具和手段。

  李占科表示,超音速客机要研究的另一个技术难点问题就是超音速减阻技术。相比亚音速客机,超音速客机会有激波阻力,尤其在0.8到1.2马赫之间的跨音速阶段,阻力系数峰值会比0.8马赫以下时大4倍左右。高的阻力系数意味着高的燃油消耗,经济性随之变差。而商用飞机能否持续运营,经济性仍然是航空公司最大的考虑因素。“此外,从飞机设计角度来说,用于亚音速飞行和超音速飞行的发动机也会具有相当的差异。”李占科补充道,亚音速客机普遍采用油耗和噪声较小的高涵道比涡扇发动机。但超音速飞行则需要采用迎风面积较小、低涵道比的涡喷发动机。因此如何设计发动机使其能够兼顾超音速客机亚音速和超音速两种飞行状态,也是一个技术难点。

  或许超音速客机“再现”的难题不止于此。中国民用航空飞行学院教师岳源谈到,首先超音速客机外载荷更大,对飞机材料和结构的要求更高,特别是对机翼翼根的强度、刚度要求会更高。其次,现在客机主要使用超临界翼型,主要用在跨音速阶段的飞行,不适用于超音速飞行。适用于超音速飞行多是战斗机,这类飞机相比客机展弦比要小得多。所以,还要设计新的翼型。最后,超音速客机控制系统的边界、约束条件相比亚音速客机都有所变化,其飞行控制系统也会有所不同。

  对症下药解难题 超音速客机前景可期

  “随着自适应变循环发动机等新型发动机的成熟,空气动力学、航电技术的进一步发展。现阶段航空技术的储备已经为超音速商业飞行的运营和维护打下了一定基础,超音速客机的前景可期。”岳源看好超音速客机的前景。

  岳源指出,自适应变循环发动机可以根据不同的需求在多种模式下工作,使飞机在亚音速、跨音速、超音速状态下都具有良好的性能。李占科进一步谈到,美国通用电气和普惠正在发展自适应变循环发动机。美国空军研究实验室相关研究表明,这种发动机是马赫数小于3的超音速客机的理想动力装置。

  对于声爆问题,声爆计算分析方法、低声爆优化理论及设计方法的发展,以及静音锥和脱体能量注入等一些新概念的声爆局部抑制技术为解决声爆问题提供了可能。

  “声爆计算分析方法旨在对给定的超音速客机方案进行声爆预测分析和评估,这是声爆研究的根本。”李占科表示,简化的声爆预测方法可以计算分析声爆超压和持续时间、不同高度和速度下的噪声水平(分贝数)、马赫锥压力分布以及声爆对地面的影响区域等。除此之外,还有超音速线化理论等更多理论方法与几何声学相结合,达到更高精度的声爆预测及评估。“而低声爆优化理论则是在声爆预测、评估的基础之上有的放矢,对飞机外形进行设计以期能够有效降低声爆。”

  “静音锥是由若干段可伸缩的圆锥体与圆柱体互相连接而组成的,可以在机头形成若干道弱激波,取代飞机头部原来的弓形激波,达到降低远场声爆水平的目的。”李占科表示,脱体能量注入则是一种“虚拟静音锥”,即通过高能微波、激光照射实现在超音速气流中的能量注入,凭借其热效应和电离效应诱导出一系列弱激波,从而降低声爆。

  “对于超音速减阻技术研究,目前研究最多的是层流减阻技术。”李占科表示,超音速飞行过程中,飞机表面与空气摩擦引起的摩擦阻力(摩阻)约占总阻力的20%—40%。空气流动有“温和”的层流状态和相对“粗暴”的湍流状态,层流中流体中质点的轨迹呈现有规则的光滑曲线,否则即为湍流。就像日常生活中我们打开水龙头,自来水涓涓细流,好似一个透明的水晶柱,即为层流;自来水喷涌而出,夹杂着无数气泡肆意飞溅,即为湍流。相同来流条件下,飞机的层流摩阻远远低于湍流摩阻。但是,目前大部分客机的巡航过程均处于全湍流状态。因此,层流减阻技术通常通过适当的外形设计或通过一些流动干预,需要尽可能扩大飞机表面层流区范围,以减小摩阻。该技术在降低音障阻力上很有潜力,可减少5%—10%的阻力。

  “事实上,采用常规布局已经无法满足超音速客机低声爆及低阻的苛刻设计要求。因此要发展新概念布局,并采用综合优化设计技术来达到超音速客机的设计要求。”李占科说。于紫月

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