美國《航空周刊》2015年7月17日發(fā)表了一篇專題文章，討論飛行馬赫數(shù)為5的民用客機(jī)運(yùn)營問題。首先看一下，SR-71偵察機(jī)的教訓(xùn)能夠幫助設(shè)計(jì)師為超音速客機(jī)的運(yùn)營做什么準(zhǔn)備?
高超聲速客機(jī)機(jī)體表面溫度太高，處理起來困難重重。例如馬赫5+運(yùn)輸機(jī)在完成高超聲速洲際飛行后機(jī)體過熱的地面處理就是研究人員要解決的未來高速客機(jī)運(yùn)營中出現(xiàn)的一個(gè)特殊問題。
雖然大多數(shù)高超聲速運(yùn)輸機(jī)項(xiàng)目關(guān)注重點(diǎn)在基本的設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)技術(shù)需要方面，但運(yùn)營方面的挑戰(zhàn)則很難預(yù)測。
有關(guān)如何解決其中的一些問題的線索，高超聲速研究人員正在轉(zhuǎn)向從以往的如馬赫數(shù)2的英法聯(lián)合研制的“協(xié)和”客機(jī)或馬赫數(shù)3.2的洛克希德公司的SR-71偵察機(jī)取經(jīng)。然而，在格拉斯哥召開的美國航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)的高超聲速和空天飛機(jī)會(huì)議上，洛克希德•馬丁公司的高級(jí)發(fā)展項(xiàng)目經(jīng)理Rob Vermeland說，這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)在一段時(shí)間一定程度上也許有益，但是，高超聲速運(yùn)輸與超聲速或亞音速飛機(jī)面對(duì)的運(yùn)營挑戰(zhàn)卻是“完全不同的兩回事”。
歐洲-日本阿光集團(tuán)(European-Japanese Hikari group)正在考慮的未來高速客機(jī)項(xiàng)目提出了一個(gè)概念上的目標(biāo)，飛行間隔時(shí)間大約48小時(shí)。對(duì)SR-71而言，Vermeland認(rèn)為即使有專職地勤人員的充分支持，快節(jié)奏的飛行也是完全不可行的。SR-71的飛行間隔時(shí)間是一周，而超聲速客機(jī)開發(fā)人員的目標(biāo)是48小時(shí)。
圖片來源：洛克希德•馬丁公司
再有就是可維修性問題。飛行回來，“SR-71常常不會(huì)回到‘代碼一(Code One)’，或即飛行準(zhǔn)備。更多的時(shí)候是代碼二(Code Two)，這意味著機(jī)件不得不修理，或者更糟的代碼三(Code Three)，這意味著重要機(jī)件不得不修理。它可能返航時(shí)面板脫落，飛行中鉚釘迸出，甚至打破進(jìn)氣口的零件。飛機(jī)修復(fù)并準(zhǔn)備好再次起飛需要一個(gè)星期。如果某些東西打壞了，可能需要一個(gè)月。
“所以，如果高速客機(jī)的目標(biāo)是飛行間隔時(shí)間是48小時(shí)，要實(shí)現(xiàn)它需要付出更多的努力。今天航空公司試圖使飛機(jī)在幾乎所有的時(shí)間都在飛，而高速客機(jī)在地上的時(shí)間比它們?cè)陲w行中的時(shí)間超過100倍，那就要考慮經(jīng)濟(jì)性問題。” Vermeland建議是，要開發(fā)人工智能、嵌入式預(yù)測、數(shù)據(jù)跟蹤和健康-監(jiān)控系統(tǒng)等，將鏈接到一個(gè)高效的后勤流程中，當(dāng)飛機(jī)到達(dá)時(shí)，零備件已準(zhǔn)備好即可更換。
Vermeland說，從一開始，飛行安全就要引導(dǎo)設(shè)計(jì)。在高速飛行時(shí)，SR-71的進(jìn)氣道經(jīng)常不起動(dòng)，對(duì)飛行員而言這是極端“殘暴的事件”。它會(huì)拍擊艙罩。如果這種事情對(duì)空軍飛行員也許沒有什么，對(duì)于乘客則不希望發(fā)生這種事。盡管艙外的環(huán)境惡劣，但乘客期望超聲速飛機(jī)有一個(gè)亞聲速飛機(jī)一樣的舒適座艙。乘客不會(huì)身穿加壓服，如果失去艙壓會(huì)發(fā)生什么?當(dāng)失效發(fā)生時(shí)，有什么安全系統(tǒng)能阻止?
研究人員希望未來高超聲速飛行器在今天的航空運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)工作。但鑒于高速飛機(jī)的一切不尋常的要求，從加油、地勤到長跑道，滑行道上大半徑的轉(zhuǎn)彎，Vermeland的建議是建設(shè)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的高超聲速機(jī)場，這種代價(jià)是值得的。整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施中，還要考慮氫燃料和地面處理問題。今天的乘務(wù)員和地勤人員飛機(jī)到了就會(huì)打開艙門，而未來他們推開和接觸的高超聲速飛機(jī)部件，有的可能還處于高溫狀態(tài)。
俄羅斯中央空氣動(dòng)力學(xué)研究院的行政主管謝爾蓋切爾內(nèi)紹夫說，高超聲速飛行器需要小心駕駛，使聲爆避開暴露的居住區(qū)。“因飛行器飛得過高，聲爆曝露面較大。然而，根據(jù)我們的研究[在歐盟資助的Hexafly-Int高速飛行器項(xiàng)目]，飛行器”以360噸的起飛重量，沖擊波的最大振幅只有超壓約60+帕斯卡，沒有預(yù)期的那么高。“這與航天飛機(jī)再入時(shí)，在馬赫數(shù)1.5和18288米高度的飛行狀態(tài)大致相同，但比“協(xié)和”飛機(jī)在馬赫數(shù)2和15850米高度飛行時(shí)所產(chǎn)生的90帕斯卡強(qiáng)度低。
他說：“為了解決這個(gè)問題，我們必須考慮飛機(jī)形狀和布局、飛行剖面和大氣條件。在典型情況下，我們計(jì)算出直線飛行時(shí)沖擊波密度的聲爆，但如果我們進(jìn)行大過載的機(jī)動(dòng)或加速時(shí)，會(huì)增加沖擊波的密度”。
法國航空航天研究中心(ONERA)研究工程師Sebastien Defoort說，與關(guān)注聲爆一樣，在飛行器的設(shè)計(jì)和如何運(yùn)營兩方面，排放的潛在影響將會(huì)是一個(gè)重要因素。但嚴(yán)重程度將取決于巡航高度、速度、燃料類型和平流層中水蒸汽對(duì)氣候的潛在影響。“我們將不得不從綠色開始。需要考慮到一些公眾強(qiáng)烈關(guān)注的事情”。
Defoort補(bǔ)充說明：“傳統(tǒng)客機(jī)飛行在10公里的高度，會(huì)排放出300噸二氧化碳和140噸水蒸汽。馬赫數(shù)5的飛機(jī)將會(huì)在25公里高度飛行，如果是氫燃料，排放出更多的水蒸汽，而沒有二氧化碳。但是，如果我們以馬赫數(shù)8飛行，我們將飛得更高，在大氣上層排放更多的水蒸汽”。一支小型高超聲速飛行器機(jī)隊(duì)，一個(gè)月可能會(huì)向大氣中加入15兆噸的水蒸汽，大部分在北半球。
“我們必須小心，因?yàn)檫@些數(shù)字還有待進(jìn)一步確認(rèn)，但數(shù)據(jù)也表明，水蒸汽對(duì)氣候和溫度變化有非常大的影響。一氧化二氮的排放量存在一定影響，但是對(duì)氫燃料而言是第二位的”。更多的詳細(xì)分析顯示，在更高的高度上，可以降低大氣層化學(xué)物的駐留時(shí)間。Defoort說，底線是“要在馬赫數(shù)8和更高的高度飛行才更好”。此外，他說：“有特殊的飛行航線，可能會(huì)減緩排放的影響，例如，飛越地球兩極將會(huì)有幫助，因?yàn)樗羝鸟v留時(shí)間可能較低”。
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