美NASA开发低噪声超声速验证机 拟2020年前民用

　　中新网3月20日电 据中国国防科技信息网报道，美国NASA在高速项目合同下，正在开展初始的超声速X系列飞机概念设计，该项目开发了一系列新的基础技术、测试设备和技术，这些都将为2020年前实现超声速民用飞行铺平道路。

　　NASA高速项目副经理汤姆·琼斯称：“高速项目下一步的重大计划是建造飞行验证机，并且我们将竭尽全力做好我们能做的一切来迎接超声速民用时代的到来。”目前，该项目正在位于加州爱德华兹空军基地的NASA阿姆斯特朗飞行研究中心进行。

　　该项目最终的目标是开发类似2011年首次披露的NASA和湾流公司合作开发的具有尖锐机头的X-54A那样的概念飞行器。琼斯说：“我们将研制具有合适大小的验证机，保证经验证的技术可以放大应用到更大的飞机上。我们也非常倾向于采用有人驾驶的验证机。因为，采用有人驾驶的验证机我们可以获得很多好处，尤其是对于外部型线和气动特性测试来说非常有必要。”

　　虽然该项目的更广阔的目标是为发展下一代商用超声速飞机研发和测试技术，但是X-plane主要是用来验证减少超声速音爆的外形塑造技术的可行性。尽管这些技术已经在风洞和专门修改的飞机（例如诺格公司的F-5E音爆验证机以及NASA和湾流的F-15“安静长钉”验证机）进行过测试。但是，NASA此次的低音爆超声速验证机将是第一次在真实的环境中试验完全集成的、从头到尾的低音爆塑形技术，测试结果将用以度量公众对可塑音爆的接受程度。

　　尽管存在超声速商用和公务飞行的市场，但是超声速民用飞机的发展仍然受到美国法律的制约。目前美国禁止超声速跨大陆飞行。一些喷气公务机制造商，包括雷诺、Aerion公司等，认为在马赫数1.2左右的跨声速设计可以利用所谓的“马赫阻止”现象，使得激波在有些时候无法到达地面，从而避免地面遭受音爆影响。但是，另一些制造商，例如湾流和达索，则相信使超声速民用飞行成为现实的真正途径是通过设计达到合理的低音爆水平，使适航当局解除相关规定。

　　因此，NASA已经进行了风洞试验验证了采用仔细的塑形设计能够将一架小型超声速飞机的音爆水平降至可接受的门槛。工业界也已经开发了类似协和的超声速民用客机概念方案，但是新方案的音爆水平相对这架停飞已久的英法客机来说大大地降低了。这项工作在NASA的N+2代飞机系统级综合实验验证计划下开展，涉及波音和洛马臭鼬工厂两家公司，大部分工作已经基本结束。两家公司目前正在NASA兰利研究中心被称为“结构、材料、气动、气动热、声学研究和技术”的计划下进行低音爆验证机的概念设计。

　　虽然上述工作围绕解决低音爆的塑形设计问题，但是NASA高速项目下也在开展超声速其它方面的研究，包括低噪声发动机喷管和如何公平评价改进的音爆对典型社区的影响。在NASA格林研究中心的领导下，低噪声喷管的研究正在进行中。格林中心的气动声学推进试验室中的喷管声学实验台上正在进行不同喷管外形的声学影响测试。

　　如果得到资助，NASA阿姆斯特朗飞行研究中心将是X-plane超声速验证机最终进行飞行测试的地方。目前工作的焦点是准备好测试的基础设施以及做好未来进行音爆传播和城市噪声测量方面深入研究的准备。琼斯说：“改进的测量当地流动压力的气动探针将会在4月早些时候进行超声速飞行测试。此外，我们也将会升级一些超声速支援飞机。”目前，正在F-15D和F/A-18B上安装试验设备，这些飞机用来替换老旧的试验机。NASA新的F-15D是机队中正当最佳飞行状态的机型，用来替代世界上最老的F-15B“鹰”。最近退役的F-18（编号852）同样也是目前最老的“大黄蜂”。

　　研究中也使用了使激波可视化的空对空纹影照相技术来显示全尺寸飞机上的激波。这个技术利用空气密度变化引起光强变化的特性捕捉图像，它建立在地对空纹影成像系统基础之上，由美国麦卓激光公司开发，并于2013年在NASA的德莱登飞行研究中心（2014年3月1日更名为阿姆斯特朗飞行研究中心）进行了测试。尽管太阳可以再次提供光源供测试飞机拍照，但是新阶段将会采用在伴随飞机上安装的数字相机吊舱进行拍照。

　　机载纹影成像系统将精确地显现发动机入口和尾部区域的流动现象，使得较风洞模型试验可以获得更准确的模型。琼斯表示：“我们希望利用这项技术改善我们的可视化能力，该技术将提供较其他纹影成像更高的分辨率，并超过以往做过的任何飞行试验。”

　　美国德莱登飞行测试中心的研究人员已经开发了一个升级的概念验证飞行程序，用于飞行测试控制室进行音爆撞击地面的位置预测。琼斯表示：“那些升级程序已经完成修订，我们将会进行几个月的测试，之后将会移植进座舱。未来，利用该程序飞行员可以像使用导航系统一样绘制航路点来确保音爆不会达到地面对噪声敏感的区域。”琼斯补充道，这个软件也将在846号试验机上进行测试。

　　这个改进程序的基础之前在德莱登中心过去4年进行的超声速音爆研究中使用过。这包括“超声速音爆焦散线分析和测量（Scamp）”项目，该项目关注音爆聚集方面的研究；测量公众反应的“波形和音爆感知和反应（WSPR）”项目；无音爆阈值远场研究（FaINT），该项目旨在更好的理解倏逝波传播的现象。这些倏逝波已经在爱德华兹空军基地一个干涸的湖床上通过一个麦克风阵列进行了测量，当时产生的倏逝波来自马赫数1.2左右的跨声速飞行的飞机。

　　对倏逝波知识的掌握对理解“马赫阻止效应”非常有用。发生该效应时，飞行马赫数在1.2左右，高度在35000英尺（10668米）以上的飞机产生的激波未必能够达到地面。相反，由于下传的激波遇到了更暖的空气，音速增加，它们向上折射而远离地面。但是，当激波向上弯曲时，它们产生了一系列的音爆波，这些音爆波聚集在一条被称为“焦散线”的直线上。在这条线下，也就是所谓的激波“声影侧”，在该侧倏逝波向下传播。FaINT试验是NASA试图理解这种马赫阻止效应的一部分。

　　琼斯表示，在这些试验中使用的软件程序取得了“很大的成功”，“但是，你需要知道激波传播路径上的风和大气环境条件。因此，未来开发这个概念并且进行飞行前计划意味着需要了解大气环境。所以，这个概念目前仍在进行开发以引入实时的天气信息。所以，NASA德莱登飞行研究中心的研究人员同NASA戈达德太空飞行中心的人员交流有关卫星信息和NextGen天气系统的有关事宜。”

　　目前设计的额外的试验包括大气湍流对音爆传播的影响，以及怎样测量人们对音爆的反应。虽然先前的测试已经搜集了大量的但是对音爆已经习以为常的在爱德华兹空军基地的军人或民众的反应数据，但是新研究的目的是评估在一个“普通的”社区生活的远离军事空域的普通民众的反应。

　　琼斯表示：“我们刚刚开始提前考虑我们如何像那样做试验。现在，我们的概念是利用我们的F-18做一个低音爆的俯冲机动。”在这个机动中，飞机将会以马赫数大于1的速度进行滚转，这将产生小振幅的“N”型波打到地面大部分区域。“但是，你也会获得一些小的但是音爆非常大的区域，”琼斯指出，“我们有兴趣想做这样一个测试,你如何做立法机构的外联工作和找到同他的共同点。如果那样的话，当我们获得X-plane的时候，我们已经做好了准备。”

　　采用F-18进行试验将仅仅是一个临时措施，琼斯称：“我们相信唯一的方式是长期的跨大陆超声速飞行应该使用一个专为低音爆剪裁的飞机。我们证明了我们能够利用SSBD修改音爆，但是通过所有的N+2研究，我们现在认为我们已经有技术通过从头到尾的塑形设计来降低音爆的振幅和环境感知噪音分贝。但是，你需要得到证明，要实施它，你需要一个可缩放的、合适尺寸的X-plane验证机。”（王元元）