超越繁荣

2003 年 10 月的一个下午，一架协和式客机从云朵斑驳的天空中降落，降落在伦敦希思罗机场。这架飞机在三个半小时前刚刚从纽约肯尼迪国际机场起飞，载着 100 名乘客前来庆祝一个时代的结束。自 1976 年以来，这架超音速飞机以超过 1.0 马赫（音速）的速度将数千名乘客送往世界各地，但这是协和式飞机的最后一次商业飞行。日落时分，超音速客运时代彻底终结，自此以后一直如此。

协和式飞机的退役通常归咎于 2000 年从巴黎戴高乐机场起飞后不久发生的坠机事故，该事故造成 113 人死亡。事实上，世界上最成功的超音速客机并没有那么成功。首先，它被限制在美国和欧洲部分地区以超音速飞行，因为它会产生嘈杂的音爆。其标志性的三角翼在低速时无法产生明显的升力，因此其设计师用四台巨大的、耗油的加力涡轮喷气发动机的推力来弥补。

“协和式飞机是一项精妙的工程设计，”内华达州里诺市先进航空公司 Aerion 的首席执行官道格·尼科尔斯 (Doug Nichols) 说道。“但也有其弊端。你需要这架巨型飞机携带足够的燃料，才能在相对较短的距离内运送 100 名乘客。按照任何商业案例标准，协和式飞机都是一次经济失败。”

航空业并没有忘记这个教训。尽管波音、达索和湾流公司一直在进行超音速飞机项目，工程师们也在悄悄地进行设计，但他们还没有承诺将飞机送上天空。相反，许多公司都在等待美国联邦航空管理局 (FAA) 和全球其他民航当局重新制定音爆法规。

与竞争对手不同，Aerion 并没有坐等这种情况发生。该公司正在积极开发一款超音速商务喷气机 (SBJ)，计划于 2021 年交付给首批客户。通过制造一款既高效又能超音速飞行的飞机，Aerion 敢于让监管机构和市场迎头赶上。

超音速飞行面临的挑战可以追溯到基本的空气动力学：飞机周围的空气如何流动。当飞机接近音速时，控制气流尤其困难。当空气在机翼上方和下方流动时，它为飞机提供了起飞所需的升力。但随着空气与飞机外部之间摩擦的增加，空气也会产生阻力。阻力随速度增加而增加。飞机飞行速度越快，推动飞机在空中飞行就越困难，飞机发动机飞行一定距离所需的燃料就越多。

当飞机速度超过 1.0 马赫时，第二个问题出现了：机头和机尾的压力波叠加会产生雷鸣般的爆炸声——音爆。与普遍的误解相反，音爆并非仅在飞机突破音障时发生；只要飞机以超音速飞行，就会产生这些压力波。虽然飞机飞过头顶时，个人只能听到一次音爆声，但飞机下方 25 英里范围内的任何人都能听到。

如今，各航空管理部门对商用飞机的音爆有不同的监管规定。国际民用航空组织 (ICAO) 是负责维护国际航空标准的联合国机构，目前禁止飞机发出可在地面探测到的音爆，但严格来说，它并不禁止超音速飞行。美国法规明确禁止飞行速度超过 1.0 马赫。（私人航天公司除外。）NASA 和 ICAO 的研究可能在未来某一天会为超音速飞行制定一个定量的噪声标准——该标准定义了多少声爆才算太多——但这一天仍然遥不可及。

协和式飞机避免了这一问题，因为其只在不受音爆法规限制的地方以超音速飞行，通常是在海洋上空。但是，超音速飞机在陆地航线上快速高效地飞行也是有商业可行性的。此外，许多工程师一直在努力降低音爆的强度，如果联邦航空管理局放宽规定，这种方法可能是可行的。美国宇航局与诺斯罗普·格鲁曼公司和国防部高级研究计划局合作，对一种名为“异形音爆演示器”的改良机身进行了试飞，这种机身可以减弱音爆的声音。湾流公司获得了“静音尖刺”的专利，这是一种在超音速飞行时从飞机机头伸出的伸缩式尖刺，可将主冲击波分解成较小的冲击波，从而使音爆更安静。

Aerion 遵循不同的设计理念：打造世界上最高效的超音速飞机。

Aerion 认为，虽然这些低爆音概念解决了噪音问题，但它们并没有解决燃油效率问题，而燃油效率问题对于商业成功同样重要。“任何采用爆音形状的飞机都会比阻力最小的解决方案承受更大的阻力，”Aerion 的测试经理 Jason Matisheck 说。该公司遵循不同的设计理念：不要担心爆音问题；只需制造世界上最高效的超音速飞机即可。

为了打造超高效的超音速飞机，Aerion 工程师利用了一种过去被认为对飞机设计师来说太难处理的气流。大气层和机身之间存在一个称为边界层的薄空气区。当该层不受干扰，在飞机周围干净平稳地流动时，工程师将其描述为层流。在大多数飞机上，这种流动很快就会变成湍流；这种湍流会产生阻力。飞机保持的自然层流 (NLF) 越多，飞机的飞行效率就越高，尤其是在高速飞行时。

20 世纪 70 年代，工程师们开始更仔细地研究 NLF。通过一系列实验，Aerion 首席技术官 Richard Tracy 和 NextGen AeroSciences 首席执行官兼 NASA 资深人士 Bruce J. Holmes 等工程师发现，航空工程师可以通过重新设计飞机部件来利用 NLF。从那时起，波音、达索和空客等飞机制造商开始涉足 NLF，探索其实际极限并将其融入到他们的概念和设计中。Aerion 是第一家将其作为超音速飞行效率首要任务的公司。

通过改变机翼位置以及外部部件和发动机舱的形状，Aerion 工程师优化了 SBJ 近 60% 机身的 NLF。这为超音速飞行带来了足够的效率，Holmes 认为这是 Aerion 设计中最重要的创新：非后掠翼。与其他超音速飞机的三角翼向尾部急剧后掠不同，SBJ 的薄翼几乎垂直地从机身伸出。非后掠翼比协和式飞机的机翼每加仑英里的燃油效率更高，协和式飞机的机翼针对超音速飞行进行了优化，但在亚音速时效率极低。

公司的工程师在风洞中通过模拟和比例模型改进了 SBJ 的设计。他们还将机翼装到 F-15 上，并在加州上空测量其性能。所有这些测试使得飞机在两种不同的空速下都能达到最佳效率——一种速度高于 1.0 马赫，一种速度略低于 1.0 马赫。在海上，SBJ 的飞行速度将高达每小时 1,056 英里——足以在短短四小时内从纽约飞到伦敦。但是因为 SBJ 仍会产生音爆，所以它在美国大陆上空飞行时的速度将为 0.98 马赫（647 英里/小时），这可能会将横跨大陆的航程缩短一个多小时。（典型的公务机巡航速度约为每小时 550 英里。）在沿海地区，它仍可利用超音速飞越开阔水面。

Aerion 工程师预计将于 2021 年左右向客户交付首批超音速喷气式飞机——大约在那时，国际民航组织 (ICAO) 的草案标准将允许飞机在欧洲大陆上空产生一定程度的音爆。目前，已有约 50 名客户签署了意向书，并支付了预订其中一架飞机所需的 25 万美元。一旦 Aerion 的 SBJ 开始在美国领空飞行——并可能在欧洲和其他地方以超音速飞行——美国联邦航空管理局可能会效仿国际民航组织的做法，允许在国内进行超音速飞行。

尼科尔斯、特蕾西和 Aerion 团队的其他成员并不指望 FAA 法规会发生变化。不管有没有繁荣，Aerion 都打算起飞。

本文原载于《大众科学》2014 年 2 月刊。