超声速客机的研发进行时

董南雄

在人类追求飞行速度的过程中，协和式飞机是一个不可回避的话题。在2019年英国纹身节航展上，法国“巡逻”飞行表演队也将协和式飞机的标志放在空中，以纪念协和式飞机首飞50周年。虽然从商业运作的角度来看，协和并不是一个成功的产品，但就当时的技术而言，它是人类追求巅峰速度的终极之作。

回顾商用飞机的发展历史，诞生之初飞行速度不到100米/小时，20世纪50年代波音707的问世将飞行速度带入了高亚音速时代。虽然此后出现了图-144、协和等超音速飞机，但都是“技术成功，商业失败”的产物，商用飞机的飞行速度一直没有质的飞越。但即便如此，人类对速度的渴望也从未停止，尤其是随着新技术的飞速发展，航空空行业对超音速客机的研发热情与日俱增，以美欧俄为代表的国家都在加速超音速客机的研发。

美国，一步一步的战略

美国作为传统的航空空强国，从未完全中断过超音速客机的研制。在美国，大到美国国家航空航天局空 (NASA)，只有几十个人的初创公司都在做超音速客机的研究工作。虽然项目很多，但总体来说，美国已经一步到位的改变了过去在性能上超越协和式的想法。而是有针对性的从小到大(公务机-小型客机-大型客机)、从慢到快(ma 1.6 ~ 1.8-MA2-更快)、从近到远(航渡大西洋-航渡太平洋)的系列化发展。从产品开发的进度来看，已经开始出现了几款产品。

Aerion的AS系列公务机是最受关注的产品。其中，AS2超音速公务机是该公司在“超音速喷气式公务机”(SBJ)方案的基础上改进研制的，飞行速度为Ma1.4，采用GE公司量身定制的亲和式涡扇发动机。2020年9月，Arrion公司开始了AS2公务机的高速风洞试验，这也标志着2021年初步设计审查迈出了坚实的一步。

AS2项目被业界看好的一个重要原因是，除了GE，传统商飞的很多核心供应商也出现在AS2项目的供应商名单中。例如，柯林斯公司将负责开发AS2超音速公务机的前缘襟翼、升降副翼、水平安定面和方向舵的致动系统；BAE系统公司将为AS2项目提供飞行控制系统，包括主动接收器、主飞行控制计算机、作动器控制部件和远程电子部件。Rosen Air 空将为AS2项目开发新的客舱管理和技术系统。此外，波音公司还参与了AS2计划，提供资金、飞机设计、制造、飞行试验等方面的资源。

值得一提的是，AS2项目中也有中国企业。目前，Aerion已与中国亚飞太平洋公司签署战略合作协议，支持其在亚太地区的营销工作，并将运营其AS2超音速公务机。如果进展顺利，首批AS2超音速公务机将于2023年投产，投产后前10年产量预计为300架。

当然，Arrion对速度的追求不会止于AS2。2021年4月，该公司宣布，将在AS2的基础上，开发一种速度为Ma4的超音速客机AS3，它可以飞越太平洋。据该公司称，目前正在收集潜在客户的需求和意见。预计飞机最大航程可达13000公里，最大载客量50人。同时，Al Leon还表示将继续与NASA在AS3项目上合作。

近年来，美国宇航局对超音速飞机的研究正从技术研究转向潜在的商业应用。在AS3项目中，NASA将重点研究亚高超音速MA3 ~ 5速度范围内的飞行器推进和热管理技术。根据NASA与该公司签署的合作协议，双方将通过技术合作评估推进和热管理技术的参数适用性。通过联评，探索Ma3.0以上速度的影响，建立发电与客舱系统一体化的配套技术解决方案。

另一个和3一样快的是Hermeus公布的Ma5.0高超音速民用飞机研发项目。虽然公司还没有正式公布这个项目的名称，但是已经明确了相关的技术细节:Ma5.0的最大巡航速度，20人左右的载客量，最大航程7400公里。

从公司发布的概念图可以看出，这款飞机采用大后掠三角翼布局，无平尾，双垂尾，其中三角翼在翼尖处采用可弯曲的变体翼尖设计。因为设计速度要达到Ma5.0，Hermeus将为这款飞机采用由涡轮发动机和亚燃冲压发动机组成的涡轮基组合循环发动机。这种设计允许飞机像普通飞机一样从亚音速涡轮喷气发动机驱动的普通机场起飞，然后在飞行中途切换到冲压模式加速到高超音速，最后回到涡轮喷气模式减速降落，这样就可以在没有特殊基础设施的情况下起降。Hermeus表示，虽然这种组合式发动机的开发难度较大，但该公司已经成功完成了按比例缩小的发动机的验证测试，为项目的后续开发奠定了基础。

欧洲，一个永不放弃的梦想

2003年，协和式飞机正式退出商业运营，但欧洲各国一直没有停止讨论一个问题，那就是应该开发出什么样的产品才能成为协和式飞机的接班人。为了得到答案，欧洲各国一直在探索。

起初，欧洲航空空行业的龙头企业空在2005年就提出了这样一个计划，即推出一款载客量在250人左右，最大速度2400km/h，最大航程9,600km的大型超音速客机，但这个计划最终未能付诸行动。随后，欧洲相继启动了多个超音速飞机的研究方案，这些方案带动的技术研究为欧洲多个超音速飞机项目的发展奠定了基础。

其中，EADS集团2011年发布的零排放近超音速运输机(ZEHST)项目，巡航速度Ma4.0，巡航高度32000米，备受关注。在这个方案中，这种超音速飞机可以在不同的飞行阶段使用三种不同类型的发动机，同时可以使用新的生物燃料来减少二氧化碳的排放。按照计划，ZEHST将在2021年左右开始技术验证。

另一个明星产品是英国Hypermach公司推出的SonicStar超音速喷气式公务机。根据设计，这款公务机的最大飞行速度可以达到Ma3.6，该产品最大的亮点包括采用了可以降低超音速飞行时音爆强度和气动阻力的等离子体气动控制技术，以及电动-燃气轮机混合动力发动机。按照计划，这款超音速公务机将于2021年年中左右首飞，2025年左右投入市场。

此外，为了与老对手美国并驾齐驱，欧洲也在Horizon 2020的支持下启动了一个名为StratoFly的项目。该项目的远期目标是在2035年前将300座级高超音速民用飞机的技术成熟水平提升至6级，并启动Ma8.0飞机方案的风洞试验。

值得一提的是，在StratoFly项目中，欧洲不仅注重飞行速度，更注重环保。在这个项目中，欧洲计划用液态氢燃料替代传统的航空空燃料，这正好符合欧洲目前的氢能源计划。按照欧洲的规划，该项目不仅能在3小时内从欧洲飞到澳大利亚，还能减少每客运公里75% ~ 100%的二氧化碳排放量和90%的氮氧化物排放量。

为了实现这一目标，StratoFly项目在从起飞爬升到Ma4.5的速度时，将使用6个涡轮冲压发动机作为动力装置，在速度超过Ma4.5后，将切换到双模亚燃/超燃冲压发动机，最终由超燃冲压发动机模式达到Ma8.0的速度。这种设计与SonicStar项目非常相似。因此，StratoFly项目在德国航天中心的风洞实验室完成了整机模拟试验，验证了该方案的气动热力学特性。目前，这个被欧洲寄予厚望的项目仍在稳步推进。

俄罗斯与日本的努力

如果说协和式飞机是欧洲人的骄傲，那么图-144就是俄罗斯的骄傲。图-144之后，俄罗斯还在探索超音速客机商用的可能性，曾经推出过300人、航程1万公里的图-244超音速客机。但由于苏联解体，这个项目无果而终。时隔多年，动荡的政局导致俄罗斯航空空产业发展倒退，直到普京政府上台，航空空产业才重新确立了在俄罗斯工业发展中的地位。此后，俄罗斯再次将发展超音速飞机提上日程。

与欧美国家不同，俄罗斯在发展超音速客机方面独辟蹊径，正在探索将军用飞机改造成超音速公务机的可行性。比如，目前俄罗斯联合航空空制造集团正在图-160战略轰炸机的平台上研发25座超音速喷气式公务机。此外，俄罗斯还计划在米格-29的基础上研制新一代超音速民用飞机样机，设计飞机飞行速度达到Ma2.0，因此，2020年6月，俄罗斯茹科夫斯基研究所与俄罗斯工贸部签约，将在今年年底前完成超音速客机的概念设计。根据计划，这款Ma2.0超音速公务机将采用降低音爆强度的结构设计，起飞重量约70吨，航程8000公里，载客量约30人。预计详细设计将于2026年完成。

除此之外，2020年9月，俄罗斯政府表示，为了更好地协调国内超音速飞机项目的发展，已经开始建设国家超音速飞机研发中心。该中心旨在构建超低音超音速飞机先进概念设计、空空气动力学等相关专业技术知识库，包括材料、强度、声学、发动机效率、人工智能等十大核心技术，横跨六大先进技术领域。根据俄罗斯政府的计划，RD中心将重点解决未来超音速飞行领域的棘手技术问题，以实现亚低音超音速飞机整体技术和座舱设备的创新。目前，俄罗斯政府已组织多家机构共同筹备建立RD中心，包括GosNIIAS飞行空系统中心、格罗莫夫飞行试验中心和巴拉诺夫飞机发动机研究所。为了支持该中心在RD的工作，俄罗斯政府计划在2020年至2024年期间向该中心拨款155亿卢布(约合2.05亿美元)。政府的支持显而易见。

日本一直是超音速飞机的粉丝。从1997年到2006年的十年间，日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)支持了国家超音速运输机验证计划(NEXST)。之后，随着公众对环保的日益关注，日本推出了后续的“静音超音速技术演示计划”(S3TD)。

在这两个计划中，JAXA以无人机为试验平台空，对超音速减阻、气动外形优化、复合材料、飞控系统、动力装置等技术进行验证和试验。目的是使飞机具备低音爆、低噪声、低排放和超音速巡航飞行的能力，从而推动新一代超音速飞机的发展。

除了国内科研机构积极开展相关技术的研发，日本还与美国合作进行超音速客机关键技术的研发。比如JAL 空与知名初创公司BOOM合作研发50架超音速客机，获得了20架飞机的优先订单权。

在与BOOM的合作中，JAXA更早的研发成果也将有用武之地。在BOOM的超音速项目中，该发动机将用于室外噪声测量测试，以验证JAXA早期获得专利的可变低噪声喷嘴的效果。此外，为了改善对起降噪音影响较大的低速空气动性能，JAXA还推动了增升装置最佳设计技术的研发，并通过实验验证了一系列通过襟翼提高效率的方法。此外，日本还充分利用其在复合材料研发方面的优势，开发出了吊杆式超音速飞机的最佳设计工具，以增加复合材料的方向角和板厚自由度，从而实现飞机主翼复合材料的最佳结构设计技术。

在有了海外项目的研发经验和进一步的技术积累后，JAXA提出了高升阻比、低噪音、巡航速度Ma2.0、载客量200 ~ 300人、航程11000公里的超音速飞机方案。现在日本提出的设计方案，在完成了前期的技术积累后，比协和式降低了50%的音爆强度，1/10的噪音，1/4的氮氧化物排放。更难能可贵的是，预计运营成本仅为目前波音747的1.3倍。按照计划，这款被称为“大师”的产品原型将于2021年正式公布。一步一个脚印，日本正在超音速飞机领域努力。未来能否在该领域实现弯道超车，颇令人期待。