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波音公布高超音速飞机计划 飞行速度将超过 5 马赫
中国玻璃纤维复合材料信息网 (cnbxfc.net) 发布日期: 2018-07-05  阅读: 270  字体:  双击鼠标滚屏


  6月27日,在亚特兰大举办的美国航空航天学会会议上,波音描绘了一架高超音速客机的设计。这架客机的飞行速度将超过 5 马赫(1 马赫等于 1 倍音速),可以把纽约到伦敦的航程从 7 小时减少到 2 小时。同时波音给出了一些概念机设计上的细节。


 

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  波音虽然并未公布发动机的详细数据,但该公司高超音速首席科学家凯文·鲍卡特(Kevin Bowcutt)透露了一些内容。“我们认为不需要使用超燃冲压发动机,选择 5 马赫的最高速度就是因为只需要用到涡轮冲压发动机就够了。” 涡轮冲压式发动机是一种将涡轮和冲压这两种推进方式上下并联布局的发动装置,两种发动机共用进气道和尾喷管。在低飞行速度下,依靠涡轮发动机的机械压缩推动飞机达到 4 马赫左右的速度,而由于涡轮和压气机叶片材料会开始出现破损。当飞机达到更高速度的时候,关闭涡轮发动机转而用冲压发动机,

  目前,超音速飞机普遍只用冲压式喷气发动机。它使用飞机的向前运动来压缩空气,以达到真正的超音速。冲压发动机可以达到最高 7 马赫的速度。所以这种涡轮冲压式发动机适合用在波音这架最高 5 马赫速度的飞机上。但发动机速度能达到 5 马赫只是一个关键性因素,高超音速飞机需要解决的问题还有很多。

  首先就是高超音速状态下机身的强度问题。协和式客机巡航速度只稍高于马赫数2,机身使用铝合金就够用了,而波音认为马赫数 5 的巡航速度下飞机必须使用先进的钛合金机身结构。另一个需要解决的是高温问题。高速气流在发动机内减速会产生大量的热量。波音重新设计了冷却系统,研究如何使用液态甲烷等燃料来代替水作为冷却剂。并且高超音速飞机的表皮在飞行期间会因空气摩擦而变得温度接近 660 摄氏度,对于乘坐舒适性的要求也让冷却系统成为研究的重点。

  飞机其他地方的设计也将因为 5 马赫的速度而大幅改变。首先,随着飞机的飞行速度加快,升降阻力(机翼使飞机飞起的升力和全飞机机身带来的阻力)的比率下降,机翼的面积将大幅收窄。同时超音速飞机的尾部设计也将不同。5 马赫速度飞行下机翼的顶部会产生膨胀波,将气流分散出去,让飞机尾部产生非常低的压力区域,这让尾部很难去帮助增强机身飞行的纵向稳定性。

  在概念飞机上,波音将飞机尾翼张开,分成两组,并且放置在能够捕捉更高气压的部位。从而让尾翼能够在 5 马赫飞行时提供稳定性。飞机座舱内也会发生截然不同的变化,传统飞机上的窗户将会被取消,转而变成摄像头和屏幕组成的虚拟舷窗,让乘客可以观看 28000 米高空的地球。

  “在这个高度,你会看到地球在你下方的曲率,”Bowcutt说。“你不会看到整个地球,但你会看到曲率——在你上面,你会看到宇宙的黑暗。”这也将会是一次非常顺利的旅行,因为在那个高度没有大气湍流。但是当湍流减少时,加速到5马赫也需要更多的时间。在一架常规航班上,乘客在起飞期间和起飞后不久会感受到压力、被推回座位,这大约持续一分钟。在一次高超声速飞行中,这种感觉会持续大约12分钟。“

  同时,商用飞机超音速飞行下的声爆和起飞噪音也是需要解决的问题。波音公司此前进行过各种低声爆和超声速公务机等研究项目。 20 世纪 60 年代波音就开始开发 2707 超声速民机方案、90 年代则开展了“高速民用运输飞机”(HSCT)项目以及 21 世纪初开发的“声速巡航者”(Sonic Cruiser)。

  同样是研发飞机的洛克希德公司在 1964 年首飞了 SR-71 黑鸟式战斗机,这是美国空军第一代可以达到 3 倍音速的长程战略侦察机。SR-71 在速度上领先于当时苏联同时代的战机,多次深入苏联领空。SR-71 黑鸟当时因为新技术尚未成熟,遇到了例如发动机容易熄火以及燃料泄漏等众多问题。1990 年 1 月,改良版的 SR-71A 宣布退役。不过之后超音速飞机研发始终没有停止,民航史上也曾经出现过协和式飞机这种可以在 15000 米高空以 2.02 倍音速巡航的商用飞机。

  2016 年,美国航天局( NASA )宣布,它们与全球最大军用机制造商洛克希德·马丁公司( Lockheed Martin )签订了一份价值 2000 万美元的合作协议,旨在研发可以商用的超音速客机。这也是 NASA “X-planes”系列计划中的一部分。在这个项目中,他们将使用一种称为“Quiet Supersonic Technology”( 安静超音速技术,简称 QueSST ) 的技术,这种技术可以使飞机在超音速飞行时产生一种相对柔和的超音速波动,从而避免了原来飞机在突破音障后产生的“音爆”噪音。

  自 1956 年以来,波音公司一直致力于高超音速飞行器技术研究,1960 年代波音的 X-15 曾多次打破了速度纪录,此后波音研发出例如 X-43 和 X-51 超音速试验飞机。而关于这次的 5 马赫超音速商用载客飞机,波音公司首席执行官 Dennis Muilenburg 去年在巴黎航空展上就曾透露波音正在开展这一研究,当时他称在未来一、二十年内会看到它成为现实。同时他表示,这项概念飞机将会寻求军方和商业公司的合作。主要还是成本的问题,研发这样一辆概念超音速飞机需要花费数十亿美元。此前光是 NASA 和洛克希德·马丁公司联合研发的 1.4 马赫超音速飞机就花费了 2.475 亿美元的预算。

  军方表示可以支持超音速飞机的研发成本,机械杂志 popularmechanics 分析称波音的超音速飞机可以帮助美国继 B-21 之后研发新一代战略轰炸机。并不需要隐身,超高速飞行已经是更有价值的一种特征。今年初,波音还第一次公布了超音速无人侦察机计划,以便和同样在研发相关技术的洛克希德·马丁公司竞争 SR-71 的后继机计划。 

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信息来源:中国国际复合材料展览会
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