回到繁荣? 超音速飞机为更安静,更绿色的复出做好准备地平线:《欧盟研究与创新》杂志


2003年10月24日是一个时代的终结。 那天,传奇的超音速客机协和飞机进行了最后的商业飞行,从伦敦希思罗机场飞往纽约的约翰·肯尼迪机场。 从那以后,没有超音速客机投入运营,因此,监管,技术和商业问题都无法克服。 协和飞机提供的关于伦敦和纽约之间三个小时的飞行的未来主义梦想似乎破灭了。

但是,现在,将近20年之后,我们可能会回到超音速梦想。 新技术的进步使设计在Concorde失败的地方得以成功,许多公司和研究机构都在大力投资新一代民用超音速飞机。 美国公司Boom希望在2021年推出其超音速客机Overture的比例模型,并且已经筹集了1.96亿美元。 美国国家航空航天局(NASA)率先开发了X-59,这是一种实验性的超音速飞机,可降低臭名昭著的音爆的噪音水平。 和Aerion 与波音公司合作,正在开发一架超音速公务机,该公务机将于2025年开始飞行。

意大利都灵理工大学的尼科尔·维奥拉教授说:“这不再只是一个梦想。” “到处都有人们在为此工作。”

音爆

民用超音速飞机复活的一个重要推动因素是它们可以产生更少的噪音并减少音爆的问题。

当诸如立体声之类的固定物体发出声音时,其声波会向各个方向传播。 如果用肉眼可以看到它们,则这些波浪看起来与将石头掉落到池塘中时发生的情况相似,几乎没有波浪以同心圆传播。

但是,当飞机超音速飞行时,它会先于产生的声音移动。 这导致其声波以圆锥形的形状拖曳到飞机后面,类似于在船后拖曳的波。 接近的超音速飞机是听不见的,但是当它越过观察者时,它们会受到突然的,像吊杆一样的集中声波的撞击,这是非常不舒服的。 在某些情况下,这些吊杆可能会损坏建筑物,甚至超音速军用飞机在地面上飞行也会打破窗户。

这意味着在大多数国家/地区,例行超音速飞行被禁止在陆地上进行,从而严重限制了民用超音速飞机的潜在航线。 因此,协和飞机只飞了大部分在水上的路线。

但是,新设计正在引领所谓的低动臂技术。

法国航空航天实验室ONERA的高级空气动力学专家GéraldCarrier解释说:“音爆的强度主要取决于飞机的空气动力学形状。” 他参与了一个名为RUMBLE的项目,该项目为监管机构收集了围绕音爆和低空飞机发出的噪声的证据。

运营商指出,通过调整飞机的几何形状,可以将动臂的响度从协和飞机的100多分贝(类似于听手提钻)降低到新设计的70-80分贝,吸尘器。

“对飞机进行适当的造型,使其具有非常长的前鼻等特征,可以减少噪音。 通过掌握这一点,我们可以雕刻飞机的声音特征,并减少动臂的烦人感​​。”

就目前而言,低空民用飞机虽然仍在接近发射阶段,但仍处于理论上。 Boom希望在2021年使用其设计的三分之一比例模型,而NASA则希望在2022年开始对X-59进行飞行测试。Carrier比较了新的低臂设计对非常遥远的烟花产生的噪音。 人们仍然会听到它,但是它不是破窗大声的。

由于工具和研究的进步,低热潮成为可能。 新的计算机程序使模拟飞机的特性和进行3D形状的实验变得更加容易。 从1960年代开始设计协和飞机,我们就对音爆有了更多的了解。 开利说:“我们受益于数十年来的新研发成果。”

但是,即使是新一代的超音速飞机,也仍然会产生噪音,因此需要针对这些低吊杆设计制定法规。 RUMBLE项目模拟了这些新飞机将产生多少声音,以及对建筑物的影响,用俄罗斯军用飞机测量了声波,甚至研究了对人类的影响。

卡里尔说:“我们研究了人们对不同级别的音爆的反应,这就是所谓的心理声学研究。” 具体来说,他们将扬声器放在测试对象所在的房屋旁边。 这些扬声器有时会发出类似于音爆的声音。 然后,测试对象必须报告这如何影响他们的健康,完成任务的能力和睡眠能力。 根据这些结果,政府可以决定这些新飞机可接受多少噪声。

“我们希望帮助制定法规,将新飞机的音爆限制在人类可接受的水平上,”开利说。 这些规定可能会允许超音速飞机在陆地上空飞行,从而极大地扩展了它们可以提供服务的航线。

“对飞机进行适当的成型,使其具有非常长的前机头等特征,可以减少噪音。”

ONERA高级空气动力学专家GéraldCarrier

马赫

在都灵,维奥拉教授将在她的MOREandLESS项目中探索另一种测试音爆的方法,该项目刚刚开始,将持续四年。 在一个实验中,研究人员将在大型室外测试轨道上用枪支射击出飞机状的小弹丸。 弹丸达到音爆,然后通过位于轨道周围的麦克风对其进行测量,以了解不同的设计将如何处理噪音。 维奥拉教授说:“我们将研究从2马赫到5马赫的各种速度。

马赫数是超音速飞机的速度单位。 马赫数1表示飞机在该位置的行进速度与声音的速度一样快,这取决于当地的温度,而当地的温度又主要取决于海拔高度(大气层越高,温度越低) 。 在温度为15°C的海平面上,1马赫的速度为每秒340.3米或每小时1225.08公里。 在11,000米的高度上,它变成每秒295米或每小时1062公里。 通常将超音速指定为介于1马赫和5马赫之间,或者是声速的1至5倍之间的区域。 例如,动臂序曲计划保持2.2马赫的速度,类似于协和飞机的巡航速度。

维奥拉教授还在研究燃料选择,这是新型超音速民用飞机将面临的另一个关键问题。 协和式飞机不经济的原因之一是其高油耗,尤其是在低速飞行阶段。 尽管新一代超音速飞机的设计通过更经济的发动机和更好的空气动力学等干预措施减少了燃油消耗,但它们仍然比常规的亚音速喷气机花费更多,从而产生了污染和气候影响的问题。

减少这种情况的关键方法是新型​​燃料。 Viola教授说,排放当然取决于发动机的类型。 “但是它们还取决于燃料以及燃烧过程中的化学过程。”

对于维奥拉教授而言,出现了两种更可持续的燃料候选人:生物燃料和液态氢。 维奥拉教授说,氢是“第一候选人”,因为它不会产生二氧化碳排放。 但是,从植物或废物等生物质中提取的生物燃料也仍在运行,可能与常规喷气燃料混合。

经济学

但是对于所有新技术而言,将造就或打破新一代超音速的是经济学。 “协和飞机的最后一根稻草是,经济学还不可行,”共同领导位于法国梅斯的佐治亚理工学院罗兰航空技术系统设计实验室的Turab Zaidi博士说。 “英国航空公司和法国航空简直无法忍受他们损失的钱。”

Zaidi博士调查了这种情况是否会在OASyS项目的未来改变,以及航空公司是否可以从这些新飞机上获利。 在该项目中,他们为2035年至2050年期间的超音速客机开发了两种方案,他们的结论似乎持谨慎乐观的态度。

扎迪博士说:“在各种情况下,我们都发现确实存在市场。” “它不像一些制造商所预计的那样高。 但是,只要有一定的假设,就有市场。

他们的研究从当前的航空市场开始,并考虑到经济增长,预测其发展方式,这很可能会增加航空公司的使用。 然后,它计算出将乘坐这些超音速飞机的消费者群体的规模,例如需要快速联系的商务旅客或现在为航空公司的优质服务付费的游客。

但是,这个潜在的市场依赖于超音速飞机如何发展的一系列假设,例如燃油效率和监管。

扎迪博士说:“对于高要求的情况,我们认为允许飞机飞越。” ‘这是对高需求情景的最大限制之一。 当您不允许地面飞越时,您会严格限制目的地的数量,并迫使飞机在地面上飞行时速度变慢,从而降低了燃油效率。

不过,总体而言,Zaidi博士似乎很乐观。 他说,许多结束协和式发展的事情已经发生了变化。 “自那时以来,对快速航空联系的需求从未消失,现在我们可能会看到复苏。”

图形信用-Horizo​​n杂志

本文中的研究由欧盟资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。



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