當高鐵,磁懸浮日益發展的今天,似乎商用航空事業的發展並沒有想象中的繁榮。所有的空中載具均侷限於0.8-0.9馬赫這個範圍。當協和飛機橫空出世的時候,所有的人都以為商業航空將進入一個嶄新的時代,結果協和出事,商業航空進入停滯。
當然這一切也與1973年美國航空監管機構出臺新的噪聲管理標準有關,監管全面禁止任何民航超音速飛機在美國大陸上空飛行。FAA禁止飛機以超於音速1馬赫的速度飛越陸地,主要就是為了阻止巨大的音爆。
雖然禁令背後的邏輯是噪聲控制,但禁令本身只按馬赫數劃線。這項規定至今有效,而且直接影響了各家公司對超音速民航飛機的研發積極性。航空界的人士一直希望取消馬赫數的限制而以噪聲作為標準。在這個背景下,NASA協同洛克希德·馬丁公司在2016年推出了X-59 QueSST(安靜超音速運輸機)專案。
我們今天先不說這個專案到底是軍事用途還是商業用途,我只能說僅僅一線之隔。如果哪天我們在戰爭中看到它的身影,我們也沒什麼好指責的。
我們首先看一張X-59 的圖片,先感受一下。
這個夢幻的外形,就是X-59的真實的樣貌。
現在步入X-59的世界:
巡航速度為 1.42馬赫(1,510公里/小時; 937英里/小時)和55,000英尺(16,800萬米),噪音小於75分貝。這個分貝的聲音和我們關車門的聲音一樣響。
人們熟知的是飛機在加速突破1馬赫關口時,會發生音爆,聲音可高達130多分貝,這個我們經常在看超音速戰鬥機表演的時候經常聽到巨大的音爆聲,如果在低空飛行時,這個分貝足以把玻璃震破。
而X-59的設計分貝是低於75分貝,低空飛行時,低於60分貝。這個噪音遠遠低於正常飛機飛行的噪音。可以稱之為靜音飛機了。
為了確保X-59的設計能夠在預期的噪聲範圍內執行,美國宇航局正在與其承包商洛克希德·馬丁公司緊密合作,建立一個大型的計算流體動力學模擬資料庫,以驗證飛機的超音速效能。該資料庫將包括飛行員用於控制飛機的設定的所有可能組合的模擬,以及飛行過程中可能遇到的飛行條件。
我們來看這張圖,這張圖捕捉了超音速飛行期間X-59飛機的計算流體動力學模擬的瞬間。這樣的視覺化可以幫助研究人員確定飛機的哪些表面特徵正在產生衝擊波,這些衝擊波會導致飛機下方的音爆聲。飛機上顯示的顏色表示表面壓力,藍色表示較低的壓力,紅色表示較高的壓力。飛機周圍空域中顯示的顏色表示氣流速度,範圍從藍色(表示零速度)到較高的紅色速度。所有X-59模擬都在NASA的Pleiades超級計算機上進行。
另外重要的一個部分就是發動機,最初NASA準備採用與F / A-18的發動機GE的F404型噴氣發動機為飛機提供動力。
然而F / A-18採用了兩個噴氣發動機來提供足夠的動力,而X-59只能容納的下一個發動機。GE的F404型提供的動力無法支援X-59。因此NASA和GE重新設計了改進型的F414發動機。F414原本是給瑞典的薩博JAS 39E Gripen戰鬥機設計的。根據X59重新做了一些修改,推出了新的F414-GE-100發動機。新的發動機可以提供足夠的動力。該發動機已經在馬薩諸塞州的測試臺上成功運行了八個多小時,以證明它能夠支援X-59的飛行方式。現發動機已經交付給NASA,將安裝到X-59的尾部,值得說明的是發動機的進氣口是位於X-59的上表面。
F414-GE-100發動機長約13英尺長,直徑3英尺,裝有22,000磅加力燃燒室,可增強噴氣推進力。
現在讓我們來看看X-59的設計,就和我們看到的X-59獨特的飛機外形一樣,要取消音爆,外形的設計顯得尤為重要。有了SR-71黑鳥設計的經驗,X-59並沒有想象中的那麼難。
洛克希德·馬丁公司和NASA給X-59安裝了一個長長的鼻子,大概長約15米。整體詳細的設計見下圖:
在這個設計中,作為飛機機翼的部分物理設計十分的複雜。在多次的風洞實驗中確定了現在的設計方案。
2020年11月5日NASA X-59的團隊在在美國加利福尼亞州棕櫚谷的洛克希德·馬丁公司臭鼬工廠組裝了NASA的X-59靜音超音速技術飛機,技術人員完成了機翼的主要工作,封閉了機翼內部的某些部分,這部分主要將用作飛機的油箱,並且永遠不會被觸碰到。
機翼的安裝和製造更像是手工藝品,除了機器人系統(Mongoose和COBRA)將複合材料機翼表面加工成精確的形狀並將其連線到構成機翼內部框架的翼樑上之外,COBRA系統進行螺栓連線和機器人自動鑽孔系統,方便使蒙皮可以附著在機翼的框架上。其他部分均有人工參與進行封裝和蒙皮的安裝。
現在已經完成了大部分的機翼的工作,並且封閉了機翼的內部,也就是油箱部分。這部分的完工標誌著整個飛機的安裝已經進入到了中程階段了。
洛克希德·馬丁公司的X-59團隊透過將面板固定在機翼上來完成最後的修飾。接合處工人施加了特殊的密封劑,以保證機翼能夠攜帶燃料而不產生洩漏。
技術人員也同時在飛機的許多部分上工作。飛機的前機身部分將可以乘坐一名飛行員和飛機所需的所有航空電子裝置。
X-59飛機的座艙與眾不同。它沒有視窗。它實際上是一個4K監視器,飛行員透過視覺輔助系統來進行著陸和起飛。其餘時間透過4K監視器,安全地檢視其飛行路線中的交通情況。4K監視器是飛機外部可視性系統(XVS)的一部分,可顯示來自飛機外部兩個攝像機的拼接影象以及來自先進計算系統的地形資料。然而,並非沒有傳統的窗戶,設計還是安裝了傳統的頂棚和左右兩側的玻璃密閉窗戶,以便飛行員可以進入飛機,同時可以幫助飛行員看到地平線和外部的情況。XVS下方的顯示屏將為飛行員提供各種飛機系統和軌跡資料,以使其安全飛行。
按照現在的節奏,預計到2021年的夏季,將除發動機之外的其他部分就將安裝完畢。然後被送到德克薩斯州進行一系列結構測試。測試完之後將重新返回加利福尼亞進行最後的總裝,上漆,然後進行首次試飛。
X-59的出現是讓靜音超音速技術得到飛速發展,從速度上來說,協和飛機和俄羅斯的圖-144也都達到了超音速飛行,只是燃料消耗太快,而X-59將能更好的解決音爆和燃料的問題。我相信商用航空將隨著X-59的成功飛行進入另一個時代。
對於我國的航空工業者而言,任重而道遠。