重启人类超音速之旅 还有哪些技术问题待解( 二 )


或许超音速客机“再现”的难题不止于此 。 中国民用航空飞行学院教师岳源谈到,首先超音速客机外载荷更大,对飞机材料和结构的要求更高,特别是对机翼翼根的强度、刚度要求会更高 。 其次,现在客机主要使用超临界翼型,主要用在跨音速阶段的飞行,不适用于超音速飞行 。 适用于超音速飞行多是战斗机,这类飞机相比客机展弦比要小得多 。 所以,还要设计新的翼型 。 最后,超音速客机控制系统的边界、约束条件相比亚音速客机都有所变化,其飞行控制系统也会有所不同 。
对症下药解难题 超音速客机前景可期
“随着自适应变循环发动机等新型发动机的成熟,空气动力学、航电技术的进一步发展 。 现阶段航空技术的储备已经为超音速商业飞行的运营和维护打下了一定基础,超音速客机的前景可期 。 ”岳源看好超音速客机的前景 。
岳源指出,自适应变循环发动机可以根据不同的需求在多种模式下工作,使飞机在亚音速、跨音速、超音速状态下都具有良好的性能 。 李占科进一步谈到,美国通用电气和普惠正在发展自适应变循环发动机 。 美国空军研究实验室相关研究表明,这种发动机是马赫数小于3的超音速客机的理想动力装置 。
对于声爆问题,声爆计算分析方法、低声爆优化理论及设计方法的发展,以及静音锥和脱体能量注入等一些新概念的声爆局部抑制技术为解决声爆问题提供了可能 。
“声爆计算分析方法旨在对给定的超音速客机方案进行声爆预测分析和评估,这是声爆研究的根本 。 ”李占科表示,简化的声爆预测方法可以计算分析声爆超压和持续时间、不同高度和速度下的噪声水平(分贝数)、马赫锥压力分布以及声爆对地面的影响区域等 。 除此之外,还有超音速线化理论等更多理论方法与几何声学相结合,达到更高精度的声爆预测及评估 。 “而低声爆优化理论则是在声爆预测、评估的基础之上有的放矢,对飞机外形进行设计以期能够有效降低声爆 。 ”
“静音锥是由若干段可伸缩的圆锥体与圆柱体互相连接而组成的,可以在机头形成若干道弱激波,取代飞机头部原来的弓形激波,达到降低远场声爆水平的目的 。 ”李占科表示,脱体能量注入则是一种“虚拟静音锥”,即通过高能微波、激光照射实现在超音速气流中的能量注入,凭借其热效应和电离效应诱导出一系列弱激波,从而降低声爆 。
“对于超音速减阻技术研究,目前研究最多的是层流减阻技术 。 ”李占科表示,超音速飞行过程中,飞机表面与空气摩擦引起的摩擦阻力(摩阻)约占总阻力的20%—40% 。 空气流动有“温和”的层流状态和相对“粗暴”的湍流状态,层流中流体中质点的轨迹呈现有规则的光滑曲线,否则即为湍流 。 就像日常生活中我们打开水龙头,自来水涓涓细流,好似一个透明的水晶柱,即为层流;自来水喷涌而出,夹杂着无数气泡肆意飞溅,即为湍流 。 相同来流条件下,飞机的层流摩阻远远低于湍流摩阻 。 但是,目前大部分客机的巡航过程均处于全湍流状态 。 因此,层流减阻技术通常通过适当的外形设计或通过一些流动干预,需要尽可能扩大飞机表面层流区范围,以减小摩阻 。 该技术在降低音障阻力上很有潜力,可减少5%—10%的阻力 。
“事实上,采用常规布局已经无法满足超音速客机低声爆及低阻的苛刻设计要求 。 因此要发展新概念布局,并采用综合优化设计技术来达到超音速客机的设计要求 。 ”李占科说 。

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