来自政府、商业和大学领域的航空航天创新者正在开发技术,使超音速在陆地上飞行成为可能,大大减少世界上任何地方的旅行时间。随着这些进步,工程师们也在努力使飞机更加环保,消除有毒气体排放,并减少飞行所需的能量。

美国宇航局的安静超音速飞机

NASA几十年来,已经努力研究Sonic Booms - 其中的响度被认为是为陆上商业超声波飞机实现未来的关键障碍。当原子能机构的X-59安静的超音速技术(Quesst)飞机在2022年浏览天空时,将未来更接近现实,以展示以超音速飞行的第一步,同时将Sonic Boom降低到声波砰砰声。

低爆飞行演示任务有两个目标:1)设计和制造一架有人驾驶的大型超音速x -飞机,采用降低音爆响度的技术;2)驾驶X-plane飞越选定的美国社区,收集人们对低空飞行的反应数据,并将这些数据提交给美国和国际监管机构。

利用这些数据,有关超音速飞行的基于声音的新规则被采纳,这将打开新的商业货运和客运市场的大门,提供比声音更快的航空旅行。超音速旅行将把美国从海岸到海岸的飞行时间缩短一半——从575英里每小时的5小时到1.4马赫的2小时每小时。

美国宇航局预计,验证性能和安全性的首次飞行将花费大约9个月的时间。一名飞行员将驾驶这架长96.8英尺、宽29.5英尺、由单一喷气发动机驱动的X-59飞机。

飞机的设计研究速度将是马赫1.42,或940英里/小时,飞行55,000英尺。在这次航班的成功结束时,美国宇航局将于2023年初正式从洛克希德马丁搬运飞机。当时,美国宇航局将在超音速试验范围内飞行X-59,以证明这项技术工作的设计,飞机性能在真正的大气条件下强大,X-59在国家空域系统中是安全的。

美国国家航空航天局将使用尖端技术——最先进的地面记录系统——来测量莫哈韦沙漠的声音重击声。美国国家航空航天局已经与加州圣克拉拉的水晶仪器公司签订了合同,为高保真音爆提供一套记录系统——不久将是一种安静的音击——能够为该机构提供必要的数据,以验证X-59的声学特征。

NASA将利用晶体仪器接地记录系统(CI-GRS)收集与声波臂和声波块相关的时间,波形和光谱数据。CI-GR还将具有NASA安装自定义软件和算法的能力,以执行各种专业操作以进行实时声波块分析。

从2024年开始,该机构将利用X-59收集有关这种低爆声技术在公众接受程度方面的有效性的数据,并要求居民分享他们对X-59产生的声音的反应。然后,NASA将向美国和国际监管机构提供社区响应数据的完整分析,以供他们考虑关于陆地上空安静超音速飞行的基于声音的新规则。这样的规则可以在比声音更快的航空旅行中促成新的商业货运和客运市场。

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处女银河3架飞机

这张照片捕捉到了美国宇航局X-59飞机概念超音速飞行过程中计算流体动力学模拟的瞬间。飞机上显示的颜色表示表面压力,蓝色表示较低压力,红色表示较高压力。飞机周围空域的颜色表示气流速度,从蓝色(表示零速度)到红色的较高速度。(图片来源:NASA/James C. Jensen)

维珍银河控股(Virgin Galactic Holdings)正与罗尔斯•罗伊斯(Rolls-Royce)合作,为其高速商用飞机设计和开发发动机推进技术。这种飞机的飞行速度将超过3马赫——比最初的协和式飞机的平均Mach-2巡航速度还要快。

该公司正与美国联邦航空局合作,以确保设计从一开始就能产生实际影响。维珍银河——来自美国宇航局的代表——确认了其设计概念可以满足高层次的要求和任务目标。此前,美国宇航局与维珍银河公司签署了一项太空法案协议,在高速技术方面进行合作。该项目与美国宇航局的X-59 QueSST飞机有许多共同目标。双方都希望推动该行业进一步研究和开发高马赫a - b旅行。

“飞v”将客舱、货舱和油箱安装在机翼上,形成了与飞机同名的“v”形。

该设计的基本参数包括一架经过3马赫认证的三角翼飞机,能够在60,000英尺以上的高空容纳9到19人,还能够结合定制的客舱布局,以满足客户的需求,包括商务舱或头等舱的座位安排。该飞机的设计还旨在帮助引领使用最先进的可持续航空燃料的道路。在早期将可持续技术和技术纳入飞机设计中,也有望成为其他航空领域采用可持续技术的催化剂。

该设计围绕制造高速旅行实用,可持续,安全可靠,同时使客户体验成为首要任务。维珍银河正在为一系列操作场景设计飞机,包括长途商业航道上的乘客服务。飞机将像其他任何其他客机一样降落,预计将融入世界各地的现有机场基础设施和国际空域。

维珍银河正与包括美国联邦航空局在内的国际监管机构密切合作,以确保符合安全和环境标准。

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清洁Flying-V

维珍银河最初的高速飞机设计包括一种经过3马赫认证的三角翼飞机,能在60,000英尺以上的高空容纳9到19人。维珍银河公司(Virgin Galactic)正与罗尔斯罗伊斯公司(rolls - royce)合作设计和开发飞机的发动机推进技术。

由代尔夫特理工大学和荷兰皇家航空航天中心开发的flyv是一种高效能的远程飞机。客舱、货舱和油箱都被安置在机翼上,形成了“v”型机身,这架飞机因此得名。

“飞行v”最初是柏林工业大学学生Justus Benad的想法,它的设计不像空客A350那么长,但翼展相同。这使得“flyv”能够使用机场现有的登机口和跑道基础设施。“flyv”运载的乘客和货物数量大致相同。

根据Tu Delft的Flying-V的Project Roelof Vos博士,飞机设计有“椭圆形加压舱,允许有效的结构设计,具有足够的设计自由来允许适当的空气动力学整形。我们说,我们的初步计算表明,飞机比空中客车A350或波音787等现代宽体飞机的拖拽显着降低。““结构计算也表明,结构重量显着降低。基于这些研究,我们估计飞行V比空中客车A350为同一航班的空中客车A350消耗20%的燃料。“

VOS解释说飞行V没有单独的水平尾翼。“因此,它被翼的空气动力学中心的位置稳定,这在最尾骨的重心后面。”他解释说,螺距和滚动控制,“由舷外翼的后缘处的分段升级提供。横摆控制由舵提供,其中沿着小翼形。飞机的大扫角和低纵横比意味着在低速条件下需要相对较大的倾斜角度来获得足够的升力。换句话说,飞机进入着陆,鼻子升高相当高,就像协和一样。“

Boom超音速的序曲是一种超音速客机,建立在协和式飞机的遗产,通过更快,更高效和可持续的技术。

飞行动发动机位于机翼上方和后面;发动机进气仍然高于机翼的后缘。发动机位于客舱后面,减少了驾驶室的噪音。由于两个因素,社区噪声减少:风扇噪声由机翼部分屏蔽,排气噪声不再从机翼的下表面反射。

飞机的内部空间主要用于客舱、货舱和燃料箱。客舱配置为两级结构,可容纳314个乘客座位。乘客坐于V型车的两腿以及连接的中心车身。结构分析表明,需要在机身中以三面墙的形式进行结构加固:一个在V形翼柱的开始,一个在飞机的对称面上。在这些墙壁(十字)通道位置的大切口允许这些结构组件无缝集成在机舱内。

混合翼体(BWB)飞机布局与低温氢罐和生物燃料存储。

飞行v的外部设计确保了更少的燃料消耗。内部的轻质结构也将有助于这一点;例如,该设计中使用的“普通”座位比目前长途航班上使用的典型座位轻4公斤。

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一个安静的“繁荣”

由Boom超音速公司制造的Overture是新时代的第一架超音速客机,它以协和式飞机的传统为基础,采用更快、更高效、更可持续的技术。

序曲,100%碳中和,需要88名乘客从纽约到伦敦3½小时而不是6½小时,从巴黎到蒙特利尔在不到4个小时,而不是7小时,从洛杉矶到悉尼8½小时而不是14天½小时。这架飞机的巡航高度可达6万英尺,使乘客能够看到上方太空的黑暗和下方地球的弯曲。序曲将能够执行所有阶段的飞行,从起飞到超音速,没有加力燃烧室。

Overture的发动机可以使用可持续的航空燃料,而且这架飞机在设计时考虑到了飞机的报废循环利用。该公司的目标是与亚音速商务舱类似的单座燃油效率,充分利用发动机和机身设计方面的技术进步。

该公司的目标是到2022年打造Overture, 2025年推出,2029年开始搭载乘客。

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清洁飞机的发展

今天的飞机大部分是带有机翼的圆柱形机身;这种设计已经使用了几十年。一个由欧盟资助的财团正在开发一种名为AHEAD(飞机发展先进混合动力引擎)的替代飞机设计。

AHEAD飞机有一个集成的机翼和机身,称为混合机翼机身(BWB)设计。减小阻力(或阻力)是飞机设计中的主要挑战之一。克服阻力需要动力,这导致了更大的燃料消耗。

SABRE吸气式火箭发动机可以推动飞机在大气中从0到5倍的声速。(反应引擎)

AHEAD涉及一种全新的发动机设计——一种使用两种不同燃烧系统的混合动力发动机。第一个燃烧室燃烧低温氢或液化天然气(LNG),第二个燃烧室燃烧煤油或生物燃料。通过使用两种不同的燃烧器和燃料系统,发动机的总效率提高,排放减少。有了BWB,飞机内有更大的可用空间,因此可以携带圆柱形燃料箱来存储低温燃料。

发动机的特征是使用反向旋转风扇。产生大部分发动机推力的大型风扇由两排叶片构成,沿相反方向旋转。这种设计的优点是进一步提高发动机效率。

AHEAD的设计载客量约为300人。较短和较宽的机身使其空气动力学效率高于传统的圆柱形机身飞机。与先进的混合动力发动机相结合,多燃料BWB能够降低CO2与传统波音777-200er飞机相比,发射约65%。推出飞机的时间表为2050。

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伦敦到澳大利亚:一日游?

英国航天局认为这是可能的。政府机构一直在与私营公司合作,探索高超音速旅行的新领域。其中一家合作公司——反应引擎公司正在开发一种引擎,英国航天局认为这种引擎可以使从澳大利亚到伦敦的一日游成为现实。

该公司由三名罗尔斯罗伊斯(Rolls-Royce)的推进工程师创立,目前正在研发一种协同呼吸式火箭发动机(SABRE)推进系统,可以推动飞机在大气中的速度从零到五倍于音速。反应引擎公司认为它有可能重新定义航空和太空旅行。

SABRE的特色是一个预冷器——发动机的一部分,可以快速冷却进入的空气(1000°C到环境温度),使发动机能够以比现有发动机更高的速度运行。预冷却器已经在地球大气层中以5马赫的速度被验证。SABRE的热交换器和氢预燃烧器子系统为发动机的核心提供热能和空气。

SABRE子系统正在地面演示中进行测试和验证。

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yabovip16.com科技简报》杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号yabovip16.com杂志。

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