5倍音速!客机中的战斗机

协和式飞机已淡出市场近二十年,但人们对超音速旅行的期待却有增无减。一些公司已经开始开发超高速飞机,美联航立好目标:最早将在2029年提供超音速航线。

速度高达5马赫(1马赫为1倍音速,5马赫为6125.4公里/小时)的超高速飞机的魅力又有多大?短短90分钟,它就能从纽约飞到伦敦。同样的距离,连协和式飞机都要花大概3小时,而人们平时坐的普通客机更是需要6到7小时。

这有可能实现吗?

亚特兰大的一家创业公司Hermeus对此深信不疑。他们已经开始测试一种新型发动机,最终有望达到5马赫。原本,这个发动机是Hermeus为美国空军的小型高超音速无人机设计的,但按比例放大后,它就能为客机提供动力。

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协和式飞机

超高速客机依旧离我们很遥远,因为这项技术几乎需要从头开始,Hermeus也已经在着手准备了。顺利的话,该公司希望这架飞机能在2029年前进行首次试飞。

协和式飞机的载客量约为100人,超高速客机的尺寸将比这个还小。为了确定飞机的尺寸,Hermeus基本上建立了一个航空公司的商业模式。Hermeus的首席执行官AJ Piplica表示:“我们的目标用户是商务舱和头等舱的旅客,在调整速度和运营成本等参数后,它最终将是一架限载20名乘客的飞机。”它只有一个舱位,与大型商务飞机的载客量相差无几。

Piplica补充:“以今天的商务舱价格,我们认为它是可以盈利的。但目前很难预测人们愿意为了飞5倍速花多少钱,因为在产品和真实数据出现之前,没有人能真正回答这个问题。”

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史上最快

该飞机的航程将达到约4000海里(7408公里),横跨大西洋航线(如纽约到巴黎)完全不成问题;但要跨过太平洋航线还是有些吃力,如果需要从洛杉矶到东京,飞机需要在中途停歇。

由于突破音障通常伴随着巨大的轰鸣声,飞行必须在水上进行,像纽约到洛杉矶这样的陆上航线,由于噪音规定将无法实现。

要知道5马赫客机的想法有多大胆,不妨看看以往的飞行速度记录:

2004年,美国国家航空航天局的一架长约12英尺的无人机X-43A创造了带发动机的飞机飞行的最快速度——9.6马赫(约11760公里/小时)。

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2004年3月X-43A高超音速技术验证机成功飞行,这是超燃冲压发动机动力飞机首次自由飞行

但那次飞行只持续了几秒钟,因此超过5马赫的最长飞行时间记录属于另一架无人驾驶试验飞机——波音X-51。2013年,它以5.1马赫(约6247公里/小时)的速度飞行了超过3分钟。

这类高速飞行极其复杂,它们都必须由一架B-52轰炸机从高空发射,然后再由火箭提速。

至于载人的飞机,目前最快的记录是X-15在1967年创造的6.7马赫(8208公里/小时)。它基本上就是带了座位的火箭,还必须由B-52轰炸机从高空发射,而它的设计就仅仅是为了实现这个记录。

而能够自行起飞和降落的喷气式飞机(由喷气式发动机而非火箭驱动的飞机),最快记录还是军用间谍飞机SR-71侦察机(“黑鸟”)在1976年创造的3.3马赫(约4042公里/小时)。

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军用间谍飞机SR-71侦察机(“黑鸟”)

协和飞机是仅有的两架进行过商业飞行的超音速客机之一,其最高速度为2.04马赫(2499英里/小时)。因此, Hermeus客机将大幅度突破喷气式飞机的记录,并且在5马赫的状态下实现长时间飞行。它将解锁无人驾驶试验飞行器领域的新成就。不过,其他飞机也可能抢占先机。

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“成熟的技术”

出于以上考量,Hermeus公司一开始就将重点放在发动机上也不足为奇。2020年2月,他们开始测试通用电气公司基于战斗机模型制造的一种新型发动机。

它融合了两种传统技术:一种类似于客机使用的涡轮喷气发动机,另一种是只在超音速及以上速度下工作的冲压式喷气发动机。这款新型发动机首先将用在美国空军投资了6000万美元与Hermeus与合作开发的高超音速无人机Quarterhorse身上。

有趣的是,在设计喷气式发动机以提高速度时,部件却有减无增。在涡轮喷气发动机中,空气从前面进入,被旋转的叶片压缩,再与燃料混合并点燃,由此产生的热气从发动机的尾部喷出,推动飞机前进。

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五十年前,当协和式飞机首飞时,商业航空向未来迈出了超音速飞跃

但是,当速度超过了3马赫,空气在进入发动机时将会由于大幅减速而自动压缩。因此,当速度在3马赫至6马赫时,通常使用冲压式喷气发动机。它与涡轮喷气机不同,没有移动部件,但在低于3马赫的速度下完全不起作用。

按照Hermeus公司的设计,飞机在起飞、降落以及亚音速飞行时,将启动涡轮喷气模式并使用其混合发动机。当速度达到3马赫至5马赫时,发动机逐渐重新配置为冲压式喷气模式。

“涡轮喷气发动机和冲压喷气发动机是我们已经使用了50年的成熟技术,诀窍就是把它们放在一起,我们只是围绕一个现成的涡轮喷气发动机设计了我们自己的架构。”Piplica说。

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能否成真?

事实上,Hermeus还有一大堆问题没有考虑到。例如,高超音速飞机的消耗量将比目前的喷气机高得多,应该使用什么类型的可持续燃料?此外,高超音速飞机的机身需要承受极端的温度条件,又该如何解决?

协和式飞机的速度不到Hermeus预计速度的一半,恰恰就是因为受到温度的限制。在飞行结束时,其窗户和其他内部表面都会变热。“黑鸟”在执行任务期间表面温度则高达600℉(约为315.5℃),因此必须由能够承受极端高温的稀有金属钛制成,驾驶舱玻璃也必须使用石英材质。

对于Hermeus的怀疑声浪和对巨额资金的潜在需求,Piplica举了马斯克的SpaceX的例子。他说:“在SpaceX的早期,人们对新太空行业提出过同样的问题。大家看着即将进入轨道的猎鹰1号,认为它得耗费10亿美元,但事实上,SpaceX最终只花了9000万美元。”

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猎鹰1号

SpaceX在开发猎鹰1号、龙飞船、猎鹰重型火箭和星际飞船以实现星际飞行愿景的过程中,依靠与NASA和商业伙伴合作来获得收入。Hermeus也计划采取这个思路,通过开发各种飞机来为这架客机提供资金支持。

“尽管以前出现过许多类似的项目,但都和Hermeus不同。”蒂尔集团的航空分析师Richard Aboulafia说,“它似乎从来没有成功过。如果他们能在2030年代末戏剧般地创造出一种高超音速交通工具,而且票价控制在商务舱价格范围内,这无疑将是成功的,但这个概率大概只有1%。”

那么,如果高超音速客机成真了,坐在上面飞行会是什么样的感觉?

Piplica说:“它会和协和式飞机非常相似。与普通飞机不同的是,加速的时间会变得更长,大约在30秒到1分钟左右。”

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龙飞船

“这种体验可能会持续10到12分钟。但是只要在飞机上升至100000英尺左右时,速度升高到5马赫,就会变成非常平稳的飞行。那里的天空没什么飞机,气流也比较温和。”

编译 | 刘阳

编辑 | 赵菀滢 zwy@nfcmag.com

排版 | 王杰

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