Mach开启超音速飞行新纪元，美中竞逐制空权

自从英国航空工业公司协和式飞机队退役以来的二十年里，超音速航空旅行的复兴基本上已经成为一个“愚蠢的季节”话题。

尽管超音速客机项目尚未取得成功（至少在经济和技术上取得了成功），但承诺高速运输回归的“协和式飞机之子”文章的频繁出现表明了超音速客机的持久吸引力。

因此，今年早些时候，中国上海飞机设计研究院（隶属于中国商飞公司）发表的一份研究报告引起了轰动，该报告详细介绍了远程超音速飞机的提案。

协和式飞机的失败归咎于其航程相对较短以及跨大西洋航线的限制——这是其臭名昭著的音爆造成的后果。协和式飞机的遗留问题之一是美国联邦航空管理局（FAA）一直禁止在其领空飞行速度超过1马赫的民航飞机。

中国商飞的论文指出：“目前，困扰超音速客机的音爆污染问题仍然存在。”

“下一代超音速客机应尽可能扩大需求，并应具备陆地低音爆飞行能力，以及远程特性以扩大航线数量。”

该提案列出了几项设计标准，包括最大起飞重量 79 吨、航程 11,000 公里（5,900 海里）以及载客量 48 人。

该飞机通常会在起飞后从约300节（约480公里/小时）加速至0.95马赫，然后在11000米（36000英尺）的高度转换到超音速模式，达到1.2马赫。在16000米高度进行远程巡航时，其速度将提升至1.6-1.7马赫。

该飞机长61.1米，采用68.8度低位后掠翼（而非三角翼），翼展22.5米。除了主翼外，该飞机还将配备前鸭翼和V型尾翼。

该喷气式飞机由两台后置发动机提供动力，由于没有加力燃烧室，可以避免起飞时产生的高噪音，但这需要更大的发动机流量和更低的排气速度。

燃油将集中存放在七个油箱中，每个主翼各两个，机身中央一个油箱，以及两个较小的油箱，分别位于鸭翼前方和发动机后方。燃油将集中在机头前方，以增强低速时的稳定性，而重心将向后移动，以改善巡航时的空气动力学性能。

但这种设计会带来音爆问题。论文称，机翼会在机身中部产生强烈的压缩波，并与鸭翼的压缩波融合，而尾翼本身也会产生强烈的冲击波。这意味着地面上可感知的音爆可能超过105分贝。

论文探讨了改进设计、降低噪音水平的方案。论文提出了中机身反向弯曲的建议，以帮助减弱前后冲击波，将轰鸣声降低至约93分贝。

但它进一步修改了设计，采用了所谓的“静音锥”鼻尖，并在后尾锥处增加了一个“凸起”，以代替可能导致尾部撞击的改变，并声称这些将进一步将音爆限制在 84dB 以下。

如果没有加力燃烧器，拟议的设计需要在约11000米的高度加速到跨音速。根据该论文，大气衰减对音爆的影响“相对较弱”，但它可以利用大气折射“实现无音爆飞行”。

这种“无轰鸣巡航”原理并非新鲜事物，早在协和式飞机投入使用之前就已被研究。当音速冲击波从高空冷空气传播到低空暖空气（此处声速更快）时，波前会发生折射。

在一定高度，波前会发生偏转，以致无法到达地面，这种现象称为马赫截止。

利用折射来消除音爆是美国超音速民用飞机项目的核心，该项目的进展已经超越了学术论文的范畴。

BOOM SUPERSONIC 计划利用其 Overture 客机的马赫截止技术，实现超越音障的安静客运飞行。

无论是否存在音爆，美国联邦航空管理局目前都禁止所有民航飞行速度超过M1的飞机——这项规定是该局于1973年制定的，当时协和式飞机和其他超音速运输机正在兴起。该规定于1977年进行了修订，专门用于防止协和式飞机的噪音。即使协和式飞机在美国领土之外，其音爆仍可能到达美国沿海地区。

尽管协和式飞机的服务已于2003年终止，但人们对高速飞行的迷恋却从未消退。由于航空航天业密切关注潜在的“无轰鸣”超音速飞行，美国联邦航空管理局于2015年就其规则的措辞寻求法律澄清，以确定其是否为马赫数截止作为合规手段留有余地。

但美国联邦航空管理局首席法律顾问办公室的回应却很明确。这样的结论“忽略了关于彻底禁止M1航班的明确措辞”，并且需要对修正案进行“重大误读”——该修正案旨在扩大保护范围，“而不是暗示规避保护的手段”。

“Mach截止或许有一天会被证明是一种可行的作战方案，”该办公室补充道。“但即便如此，在美国陆地上使用它也需要获得[M1禁令]的豁免，或者修改规则本身。”

BOOM SUPERSONIC 首席执行官布莱克·肖尔 (Blake Scholl) 称该法规“荒谬”，并补充说，该法规已经产生了“严重而持久的后果”，包括“扼杀”美国航空创新。

“超音速客运旅行原本可能始于小型超音速飞机，比如专为跨海岸旅行设计的商务喷气式飞机，”他说，“超音速禁令实际上让这类产品在美国成为非法产品。”

但经过50多年的时间，这项基于限制速度而非专门限制噪音的禁令可能即将迎来一次彻底的改革，而那些认为突破音障并不一定意味着打破住宅窗户的人对此翘首以盼。

五月中旬，一项名为《超音速航空现代化法案》的法案被提交至美国国会参众两院。该法案要求美国联邦航空管理局修改禁止超过M1的飞行速度，但前提是音爆不得到达陆地。

6月初，美国总统唐纳德·特朗普指示美国联邦航空管理局在六个月内采取措施废除该禁令，并发布行政命令撤销这项“过时且过度限制”的规定。

该法案要求美国联邦航空管理局在 18 个月内发布拟议规则制定通知，并在两年内发布最终命令，为超音速飞机制定噪音认证标准。

“显然应该允许不产生音爆的超音速飞行，”肖尔说。“对超音速的禁令已经阻碍了超音速飞行的进步超过半个世纪了。”

然而，Boom 已经在美国领空实现了民用超音速飞行，其三角翼 XB-1 研究飞机是为了支持 Overture 的开发而制造的。

该公司获得美国联邦航空管理局的授权，允许这架三引擎喷气式飞机飞越加利福尼亚州的莫哈韦试验场，并进行了一系列 11 次试飞，然后于今年 1 月 28 日和 2 月 10 日在另外两次飞行中，让这架喷气式飞机在 35,000 英尺的高度突破音障。

这两次飞行是XB-1进行的最后几次飞行。但这架达到了1.12马赫速度的飞机，关键地展示了马赫数截止能力，飞行路径下方的麦克风阵列显示，音速冲击波并未到达地面。

该公司表示：“XB-1 多次超音速运行期间收集的数据使 Boom 能够验证音爆模型并改进预测Mach截止运行的算法。”

此次测试与美国国家航空航天局 (NASA) 使用波音 F/A-18B 战机进行的测试类似。后者于 2012 年 11 月在爱德华兹空军基地附近进行了飞越测试。该战机飞行高度为 34,400 至 39,300 英尺，速度为 1.12 至 1.17 马赫，目的是在代号为“FaINT”的项目中调查截止阈值。

Boom公司原本计划在美国大陆空域以0.94马赫的速度操控“序曲”无人机，在水面上只能加速到1.7马赫。但Boom公司表示，XB-1表明，“序曲”无人机可以在陆地上以超音速飞行，而且飞行安静。

Boom 声称：“这为 Overture 开辟了更多的航线可能性，Overture 已经为全球 600 多条航线提供了显著的提速。”

美国国家航空航天局和洛克希德·马丁公司正在通过一项名为“Quest”的项目追求安静的超音速飞行，该项目的核心是X-59的低音爆设计——这是一种技术和外形旨在抑制音爆的研究飞机。

但 Overture 并非旨在打造一款低轰鸣飞机。它在水面上以 1.7 马赫的速度巡航时，会产生音速冲击波。Overture 将依靠马赫截止速度来实现其在陆地上进行超音速飞行的可行性。

在加州沙漠上空演示几分钟的Mach截止速度是一回事，而建造一架可有效利用该原理的 80 名乘客的客机又是另一回事。

Mach截止飞行面临多重挑战。为了有效飞行，飞机必须在跨音速范围内飞行，即大约1.1-1.3马赫的低超音速飞行，因为这会加宽尾部马赫激波锥，使其更容易受到折射的影响。

但德国航空航天中心 DLR 在 2022 年的一篇论文中表示，跨音速领域具有冲击波不稳定性，并会导致复杂的应力，需要在飞机设计中考虑这些因素。

这个范围还会产生明显的阻力峰值，从而迫使跨音速和更高的燃料消耗之间做出权衡。

“随着气动阻力接近音速，低超音速时的燃油消耗会略有增加，”布姆说。“即使有这样的阻力损失，Overture 仍然有足够的航程来飞行最长的跨大陆航线。”

Mach截止的主要障碍之一是该现象严重依赖于大气条件。

德国航天中心的论文指出，对沿相同路线的轨迹进行分析，但使用相隔 6 小时的气象数据，结果显示截止Mach数存在相对较大差异。

“这表明短期大气变化可能对音爆传播产生重大影响，”报告称，并补充说需要“特别准确”的天气预报。

“进一步看来，巡航速度无法提前规划，需要在任务期间反复更新。”

BOOM SUPERSONIC 表示，Overture 将使用“先进的自动驾驶仪”，该自动驾驶仪将利用当前的天气状况和软件算法“自动选择最佳速度”来实现“无轰鸣”巡航。

如果飞机在Mach截止状态下飞行时，其运行高度与亚音速交通的高度相似，则还需要考虑与空中交通管理系统的整合——这可能需要新的程序或更大的空域容量。

虽然声波冲击波可以在大气中发生折射，但在临界高度以下的区域（即所谓的“阴影区”）会产生残余效应，即衰减波。这些衰减波在地面上仍然可以被感知到，而可行的商业运营模式需要确保任何此类噪声效应在可接受范围内。

测量和评估阴影区声学特性是美国宇航局F/A-18“FaINT”项目期间开展的实验的核心部分。但民用超音速飞行需要设定Mach截止飞行的裕度。

与六十多年前研发协和式飞机的英法团队一样，BOOM SUPERSONIC 有信心能够克服生产现代高效超音速客机所面临的技术挑战。

该公司指出，其人员建造并驾驶了第一架自主研发的超音速喷气式飞机 XB-1，并“全力”生产 Overture 及其关键的 Symphony 推进系统。

该公司补充道：“这包括冻结 Overture 的设计。” 该公司计划于 2027 年推出该系列飞机，并于 2029 年投入客运服务。

Boom表示，Symphony的开发“持续快速进展”。它已于3月份通过一项关键技术审查，并已具备量产能力。

该公司声称，与商用发动机相比，这些发动机将具有“增强的跨音速性能”，使 Overture 能够在 30,000 英尺以上的高度“有效过渡”到超音速。

Boom 补充道：“多个部件已经进入制造阶段，发动机组装将于今年晚些时候开始。”该公司今年 4 月透露，将在沃特金斯的科罗拉多航空航天港进行发动机测试，测试将于今年年底开始。

中国航空航天公司中国商飞提出的超音速飞机方案，将设计特点与马赫截止操作相结合，实现安静的高速运输，目前还只是学术上的好奇心，但它却让 Boom 感到足够不安，足以对中国的技术步伐发出警告。

布姆说：“超音速竞赛已经开始，美国的胜利至关重要。”

中国已经在生产西方客机的仿制品，最近还宣布了自主研发的超音速客机。除非我们在美国发明和制造下一代飞机，否则我们在下一代航空航天技术领域的领导地位将从美国转移到亚洲。