一起去坐飞机吗?眨眼就到的那种?


原创 朱步冲 果壳


蔓延全球的新冠疫情,让民用航空业一夜之间陷入泥沼,然而正所谓“胆小者看到危机,胆大者看到机会”,一些新锐航空飞行器制造企业和航空公司,就在筹划一种更快捷,更舒适的全新的航旅出行方式。说不定,等疫情结束后不久,我们再次出行时,就能体验到它。


超音速客机,请求出战!


这种全新的出行方式,就是超音速客机。来自美国科罗拉多的航空初创企业Boom Supersonic于近日宣布,明年1月7日,它将正式推出自己的单座超音速原型机XB-1,并将在年内试飞。

展示中的XB-1原型机 | https://boomsupersonic.com


XB-1的最高速度设置为2.2马赫(音速的2.2倍),航程超过1900公里,采用3台通用电气公司出品的 J85-15引擎。公司创始人布莱克·绍尔(Blake Scholl),精力充沛,野心勃勃,曾经就职于亚马逊,拥有私人飞机驾驶执照。他声称,自己要做民用航空界的埃隆·马斯克,而XB-1,就是未来民用航空界的SpaceX。

“序曲”与XB-1飞行想象图 | https://boomsupersonic.com


绍尔宣称,如果XB-1试飞成功,那么公司下一步计划就是建造以XB-1为蓝本的大型超音速客机“序曲”(Overture)。序曲机长51米,翼展18米,最大载客量大约为55名,最大航程8800公里,时速同样为2.2马赫,整体客舱皆以商务舱标准建造,预计在2030年投入使用。“更少的乘客,更舒适的旅行环境,更短的飞行时间,想想看,从东京到西雅图,只要4个半小时,是不是令人兴奋!”绍尔表示。

英国航空公司的“协和”超音速客机 | www.bbc.com


当然,超音速客机并不是一个时髦的新发明,它曾经短暂出现在民用航空历史上:1976年,英法两国联合研制的“协和”超音速客机正式投入运营,直至2003年退役。

“协和”客机座舱,以其精致的餐食和周到的服务著称 | www.bbc.com


曾几何时,“协和”是空中旅行“逼格”的最高境界,它能以2.04倍音速的速度飞行,在3个半小时之内,就能将92~120名乘客从西欧送至美国东海岸。宽敞的空间,考究的装饰和精致的空中餐食,构筑了它独特的魅力。


然而,与之相对的是,“协和”客机平均往返机票价格为12000美元,是标准航班价格的30倍左右,从而导致需求不足,最终只交付了14架(法航7架,英航7架),大多数航班的空座率超过50%,而且乘客多来自常旅计划升舱。最后,70年代的石油危机,导致航空燃料价格急剧上涨,使得“协和”更加难以为继。2000年7月,法航一架“协和”从巴黎戴高乐机场升空后不久,由于事故不幸坠毁,造成113名乘客罹难,从而为“协和”的棺材敲上了至关重要的一枚钉子。


所以,在“协和”退出历史舞台将近20年后,超音速飞行如果要想成为我们的旅行方式,首先要让人“付得起”。和马斯克的SpaceX一样,序曲计划将通过“走量”模式,摊薄运营维护成本,让价格更加亲民。绍尔宣布,批量生产的序曲,将可以把单机价格降低到2亿美元左右,而2亿到4亿价格区间的中小型民用航空机市场还是蓝海,尤其对于需求相对稳定,讲求效率和舒适的商务航空来说,市场还有不少潜力可挖。

"序曲”超音速客机座舱概念图,其卖点在于“普通人支付得起的超音速商务舱旅行” | https://boomsupersonic.com


绍尔盘算,在2030年投入使用后,“序曲”的产量将迅速扩展到1000架左右,规模化的运营,能让它的票价与当前跨国普通航班商务舱处在同一水平——只要付出大约4000美元,就能乘坐“序曲”,在五个小时之内从东京飞抵洛杉矶,这个价格,是“协和”客机票价的四分之一。届时,1000架序曲的载客能力可以满足全球超过500条越洋商务航线的需要。


飞得更快,还要更环保!


不过,横在XB-1和“序曲”面前的拦路虎还有一只,就是国际航空业面临的环保压力。从2019年1月开始,全球航空运输业碳中和方案及减排计划(CORSIA)正式实施,目标是在2050年将全行业二氧化碳排放量较2005年减少50%。


2018年7月,国际清洁交通委员会(ICCT)在一份针对超音速客机的环评报告中指出,在现有技术标准下,超音速客机可能在碳排放上超出现有标准70%,每位乘客消耗的航空燃料大约是亚音速喷气客机乘客的5倍以上,更不用提超音速客机所造成的噪音污染了。为此,委员会对超音速客机的发展持谨慎态度,并敦促各航空公司与飞行器研发企业早日出台技术革新与管理措施。


对于这个问题,Boom Supersonic的解决方案可谓多头出击,开源节流并举。


首先,为了降低燃料成本和碳排放,绍尔宣布XB-1和“序曲”使用替代合成燃料:利用直接空气捕获技术(DAC),从空气中提取二氧化碳,再利用水电解和燃料合成过程来生产清洁的液态烃燃料。另外,公司宣布,“序曲”将不采用XB-1的J85-15引擎,而改与罗尔斯·罗伊斯合作,后者将为“序曲”开发效率更高,更节能的全新涡扇发动机。

生产线上正在组装的XB-1机身 | boomsupersonic.com


第二,是从飞机结构下手。当飞机超音速飞行时,气流会对机身传来规律性震动,为了对抗这种震动,就需要更坚固的机身结构,而超音速客机独有的“细长型”身材,又对机身结构的设计施加了严格的限制,使得任何“减重”方案都困难重重,稍一不慎,就会导致机体强度的降低。


对此,Boom Supersonic的应对方案是,XB-1和序曲在设计中,都将大量使用碳纤维材料和钛合金,许多部件将采用3D打印技术,从而力争在保持机身结构坚固的同时,减轻整机重量,并抵御超音速飞行空气摩擦引发的高温。根据Boom Supersonic公布的数据,XB-1 的机身最高耐温上限能够达到148摄氏度。

机体横截面积变化与遭遇阻力关系图,可以看到,左边机体横截面积变化剧烈的设计方案,遭遇的空气阻力将随着面积的增大而急剧上升,右边的“小蛮腰”方案遭遇的空气阻力则显著减小 | www.geekswipe.net


另外,XB-1和“序曲”都改进了外形与气动布局,从公开资料上看,它们都有令人过目不忘的“小蛮腰”设计,从而使机翼宽度最大处机身最窄,总体横截面积变化平缓。从航空动力学角度讲,机体横截面积变化越平缓,它遭遇的阻力就越低。


嘘!别让下面的人听到!


更轻的重量和改善的外形布局,不仅能有效降低能耗,削减碳排放,还能有效减轻“音爆”。

由于音爆,所以预计开通的超音速客机航线大多为越洋飞行路线 | www.aero-mag.com


“音爆”是飞机超音速飞行时,产生的冲击波所引发的巨响。由于飞机速度超越音速,坐在飞机里的人无缘听到“音爆”,而对地面上的人,音爆则形成了难以忍受的巨响,“协和”之所以受到抵制,就是因为沿途造成的音爆,有个段子就叫做:“协和从华盛顿超音速飞去圣地亚哥,站在芝加哥都能听到它的噪音。” 所以, 现阶段筹划中的超音速客机航线,大部分被设定为跨海长途飞行,也是因为越洋飞行中,下方基本不会有居民存在。


不过,机场终究是要建在陆地上的繁华城市附近的,起飞降落阶段依旧会影响到沿途居民,所以要消除音爆,还是要从飞机本身的设计入手。

“协和”客机超音速飞行时形成的两重“音爆云” | www.spkeaerospace.com


常规的超音速喷气飞机,空气冲击波从机头到达机尾翼的时候增强,形成两次明显的音爆,所以XB-1的外形设计与NASA和洛克希德·马丁设计的X-59静音超音速技术飞机颇为相似:两者都采用了细长机身,机翼从机身向外的延展角度与厚度都进行了优化,以减弱超音速飞行中机身产生的激波。另外,根据推测,XB-1和X-59一样,机翼尖端也进行了特殊设计,使帮助飞行器机体在超音速飞行时产生的激波大部分向上方发散,仅剩小部分强度较小的余波射向地面,将噪音降低为可以融入城市环境背景噪音的程度。绍尔已经向外界保证, “序曲”产生的音爆级别大约只是协和的1/30。


截至目前,序曲客机已获得价值60亿美元的意向订单,买家包括维珍集团(10架)和日本航空(20架),后者在2017年向Boom投资了1000万美元。

Aerion AS2超音速科技飞行想象图 | https://www.ainonline.com

维珍航空马赫3科技飞行想象图 | www.aero-mag.com


当然,垂涎于超音速民用航空市场的,远远不止Boom Supersonic一家。有力竞争者包括波音支持的Aerion公司,它在今年4月宣布在佛罗里达投资3亿美元建造一座工厂以制造12座超音速客机AS2;太空狂人理查·布兰森也来插了一脚,宣布维珍航空将开发超音速客机马赫 3。这款豪华超音速公务机“机如其名”,最大时速能够达到3马赫,从纽约飞到伦敦只需2小时,不过票价就非一般人能够负担,估计不比布兰森的太空旅行飞船银河号便宜多少。


届时,也许我们相约旅行的口号就变成“一起坐飞机出去玩吗?坐一次能吹一辈子的那种?”


参考文献


[1] Yicheng Sun,Howard Smith, “Conceptual Design of Low-Boom Low-Drag Supersonic Transports”,AIAA AVIATION Forum, 2020.6


[2] Anastasia Kharina “Environmental performance of emerging supersonic transport aircraft”, ICCT Journal, 2018.7


作者:朱步冲


编辑:odette


一个AI


飞太快也不好,刚上餐就通知大家收起小桌板了!

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