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超音速飞机获专利 新一代“协和”能走多远?

 2015-08-19 来源:大飞机报  [投稿排行榜]
2015-08-26 15:27:20

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[摘要] 飞机通过机身下方的两个涡轮喷气发动机(Turbojet)离地起飞,像航天飞机一样垂直爬升,就在飞机达到音速时,涡轮发动机会关闭并被收进机腹,此时的火箭发动机(RocketEngine)将推动飞机到达10万英尺(约合3万米)的高空;当飞行达到巡航高度时,火箭发动机也将关闭并缩入机身,由双翼的一对冲压式发动机(Ramjet)“接棒”推进飞行,使之飞行达到最高速度4.5马赫,即4.5倍音速,也可解释为时速可达到每小时3000英里,约合每小时4828公里的状态。
超音速飞机获专利 新一代“协和”能走多远?

  图:未来超音速飞机畅想图。(王紫绘)

  近日,空中客车公司全新超音速喷气式飞机获得了美国专利和商标局的发明专利。如果该专利变成现实,这种新飞机从伦敦飞往纽约只需要一个小时,而即使让已经退役的协和飞机执飞该航线,也需要约三个半小时。从航空历史发展的经验来看,超音速飞行的成功将推动高超音速飞行的国际进程,更会引领一场新的航空革命。

新理念:建立起跨洋一日商务圈

  本月早些时候,美国专利和商标局(USPTO)已批准了来自空客公司的“超高速飞行器和相关空气动力方式”,即超音速(hypersonic)喷气式飞机的专利发明。

  空客将这一技术描述为“包括机身、两侧的哥特式三角翼、活动尾翼,以及一系列发动机系统组成的飞行器”。即不仅需要解决摩擦、压差、诱导和干扰阻力的低速飞机阻力问题,而且通过机身、机翼、尾翼的空气动力学设计解决高速飞行带来的“激波”和“波阻”问题,最重要是有效地使用三种不同类型的发动机“接棒”,使飞行达到超音速的能力。

  飞机通过机身下方的两个涡轮喷气发动机(Turbojet)离地起飞,像航天飞机一样垂直爬升,就在飞机达到音速时,涡轮发动机会关闭并被收进机腹,此时的火箭发动机(Rocket Engine)将推动飞机到达10万英尺(约合3万米)的高空;当飞行达到巡航高度时,火箭发动机也将关闭并缩入机身,由双翼的一对冲压式发动机(Ramjet)“接棒”推进飞行,使之飞行达到最高速度4.5马赫,即4.5倍音速,也可解释为时速可达到每小时3000英里,约合每小时4828公里的状态。

  超音速专利从理论上意味着空客飞机从伦敦到纽约只需一个小时的飞行时间,即使是让已退役的速度达到2马赫的协和客机执飞这一航线,也要3个半小时。新飞机从上海飞纽约仅需约4个小时,今后跨越大西洋或是太平洋的越洋航线行程可能短至3个小时,可建立起跨洋一日商务圈新理念。

新技术:三种发动机在不同状态下使用

  从高超音速专利介绍来看,发动机分为涡轮喷气发动机、火箭发动机、冲压式发动机三种,分别在不同状态下使用。

  涡轮喷气发动机属于有压气机式的空气喷气式发动机,也叫燃气涡轮发动机,是现代飞机和直升机上广泛应用的动力装置,由进气道、压气道、燃烧室和燃气涡轮等骨干部件组成,具有可以连续不断、同时完成作为一种热机必需的进气、压缩、燃烧膨胀和排气放热的功能。

  火箭发动机就是根据中国首创的火药为基本原理,研制成如今的固体燃料火箭。现代火箭发动机大多数是通过液体推进剂推送到火箭发动机中,燃料和氧化剂会被抽取到燃烧室中,燃烧并产生一股速度极快的高压热蒸汽,蒸汽流过喷口后加速可达8000-16000公里/小时。火箭发动机的主要特点是不仅自带燃烧剂,而且自带氧化剂,它既能在大气层内工作,也可以在大气层外的真空中工作,因此成为火箭、导弹和航天器飞行的主要动力。

  冲压式发动机属于无压气机式的空气喷气式发动机,它利用飞行器高速飞行时,迎面气流进入发动机后减速增压并达到一定的数值,直接到燃烧室;燃烧室再喷油点火,使油气混合物燃烧,从燃烧室出来的高温高压燃气直接进入喷管膨胀加速,向后喷出,产生反作用推力。超音速冲压发动机采用超音速进气道和收敛形或收敛扩散形尾管,以航空煤油或烃类为燃料,其适应的飞行速度为1-6倍音速,常用于超音速靶机和地对空导弹。高超音速冲压发动机使用氢燃料或液氢燃料,飞行马赫数可达5-16。

  从超音速专利介绍来解读“机身、两侧的哥特式三角翼、活动尾翼”的概念:机身用来装载人员、货物、设备和燃油等,并可固定机翼、尾翼、起落架和动力装置等部件,使之连成一个整体。

  两侧的哥特式三角翼是空客公司的专利申请文件中详细写明的,哥特式三角翼使用单翼布局与特殊设计的安定翼面构成了这款超音速客机的基本架构。

  超音速飞机尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼都是全动式的,其目的是为了提高飞机在高速飞行时的纵向操纵效能。

老问题:能否赢得市场青睐才是关键

  从上世纪90年代末,美国为应对全球反恐威胁而启动“1小时打遍全球”计划以来,美中俄等航空航天大国陆续研发并试验了提高武器系统的精确打击速度的革命性武器系统。

  归纳起来,主要包括常规洲际导弹、亚轨道滑翔飞行器、高超音速飞机/巡航导弹和空天飞机四大类。其中速度最快的当属空天飞机,其太空中的在轨运行速度最快可以达到20至30马赫;至于高超音速飞机/巡航导弹,由于该类飞行器的飞行空域仍在传统大气层范围内(20000至35000米),因此最大飞行速度多在6马赫左右。

  此次空客超音速专利虽然引起一些航空领域的波澜,但专业人士期望值并不高,从研制到军用需要的是科学和经费,而从军用到民用则更需要市场和技术,完全是不同的战略和战术,仅从研制角度来判断其成功性为时过早了些,但相信人类的梦想追求是无止境的。

  然而,市场需要考量的指标是多方面的。以协和飞机为例,其停飞的原因是多方面的,一直未能解决的噪音、环保问题,只能在海上飞行,但连续飞行距离又短,中途需要补充油料,横跨太平洋都是问题,因此协和适用地域有限。同时,很多机场都拒绝协和式飞机降落,它只飞巴黎至纽约和伦敦至纽约两条航线。而后,一场空难引发了安全疑问。最重要的是,协和先进的技术始终未能得到市场的充分认可和欢迎。高昂的票价让人不敢问津,而造成协和昂贵票价的是协和的高制造成本和高油耗,这就是协和自身致命的弱点。在新形势下,协和渐渐地失去了市场。

  与协和差不多时代登场的波音747大型客机载客是协和4倍,可耗油却只有协和的二分之一,这使得协和无法同波音同台竞争。此外,协和机群的维修费用不断上涨、机组人员和地勤队伍老化问题严重等致使故障频发,航空公司蒙受巨大损失。

历史回眸

协和号——记忆中的“独舞者”

  1956年至1961年,英、法两国分别进行超音速客机研究。1963年1月,当时的法国总统戴高乐亲自将这一研制计划命名为“协和”。

  法国组装的第一架协和001飞机于1969年3月试飞,同年10月1日,在进行第45次试飞时突破了音障。英国组装的第一架协和002飞机于1969年4月首飞。1975年底取得两国型号合格证后,协和飞机开始投入使用,1976年1月21日投入商业飞行。2003年5月31日,法航的协和客机进行了最后一次商业飞行。2003年10月24日,英航的协和客机结束了最后一次飞行。

  协和式飞机前机身细长,可以获得较高的低速仰角升力,有利于起降和降低超音速飞行的阻力。机头设计成可下垂式,在起降时下垂一定的角度,可以往下调5至12度,以便飞机在起飞和降落时,飞行员获得极好的视野,巡航时则转到正常状态。协和式飞机还有个令人津津乐道的特点就是会“变形”:其一是因为在2马赫的飞行速度时,空气摩擦使其机体产生高热,因热胀冷缩效应,协和式飞机在高速飞行时最多会“变长”约24公分。预生产型协和作了修改,机头横截面从圆形改成扁圆形;并加长了客舱。

  然而,协和飞机终因噪音、油耗和安全等问题退出了民用航空市场。

知识堂

未来“超音速”由谁主宰

  美国航空和国防工业咨询公司Teal Group分析师理查德·阿布拉菲亚(Richard Aboulafia)认为:“高超音速的确有吸引力,但技术障碍非常大。美国将成为这项技术的领军者。”

  超音速到高超音速在军用和民用上的竞赛更能体现当代的科学成就及本国的综合实力,美国当之无愧成为领先者,但俄罗斯从前苏联解体后也从未退出竞争,中国以学习的心态努力突破追求一流,其他国家寻找参与的机会有所发展。

  美国:当之无愧的领先者

  美国仍是航空航天技术当之无愧的领先者。

  美国军方正在秘密研制一种新型的飞机发动机技术,采用脉动式喷气发动机的绝密超音速飞机已经在美国犹他州的上空进行了试飞,它能以六倍于音速的速度飞行,预计将取代u-2和SR-71。

  从不分超音速或高超音速的专业角度来看,最高飞行速度纪录由美国的X-15飞机在1967年10月创下,为6.7马赫。

  美国洛克希德HTV-2高超音速滑翔飞行器由“弥诺陶”IVLite火箭发射升空,两次试飞都在第9分钟时失稳坠海,但HTV-2仍在飞行中实现了20马赫的高超音速飞行。展现出极富潜力的应用前景。

  俄罗斯:辉煌再战的挑战者

  在上世纪60年代,美、苏两个世界上最大的超级大国为了争霸世界,在军备和战略武器的竞争上越演越烈。冷战结束后的俄罗斯成为一名挑战者,也取得了不凡的成就。

  前苏联T-4超音速轰炸机试飞的第一架T-4原型机携带两枚空对地导弹以最大速度3200公里/小时和巡航速度3000公里/小时于1972年8月22日首次升空。

  俄罗斯的工程师还设计了一种未来飞行器,被命名为PAK-TA,可携带超过200吨的载荷,飞行速度为每小时2000公里,大约为1.6倍音速,航程超过7000公里,能够满足洲际作战的需要,可将一支军队部署到世界任何一个地方。目前美军的最大运输机为C-5,飞行速度为每小时834公里,是一种亚音速的运输机。显然PAK-TA运输机创造了同类用途飞机的速度纪录。

  据媒体报道,俄罗斯的“SBJ/SPJ”(Supersonic Business/Passenger Jet)超音速私人飞机的首架试验机将于2025年开始飞行测试。

  研发人员称,与第一代超音速飞机图-144和协和号相比,这架飞机在巡航时音爆较小,符合机场和人口密集地区的噪音标准,并且燃油消耗小、环保性能优秀。客舱可变化为20座的公务机构型或多达80座的普通商用客机构型。其巡航速度为1.8马赫,航程超过1900海里。

  中国:学有所长的突破者

  中国自主研发的新一代超音速教练机“猎鹰03”号2009年首飞成功,它具有第三代战斗机的大迎角机动飞行能力和高敏捷性,可用于飞行学员的基础改装训练或作为伴随教练机进行战术训练。

  WU-14,是一种外界猜测的中国新型高超音速武器。据外媒报道,美国军方十分关注这项高超音速滑翔式导弹载具试验,同时担心美国是否有能力保持该技术领域的先进性。

  美国军方称,在高超速飞行技术领域,中国显然已经走在了美国前面。

  此外,其他各国正在对超音速冲压喷射发动机进行试验,以用于商业用途。

  澳洲昆士兰大学的特超音速中心已进行超音速冲压喷射发动机的首次试验。

  法国国家航空航天公司与航空航天研究院正在研制一种HAHV高空高速无人驾驶侦察机,其速度达6至8马赫,航程可达2000公里。

  印度航空开发署研制的轻型超音速战斗机于今年1月首次试飞成功。

  (作者为上海市航空学会会员、上海航宇科普中心办公室副主任)

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