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【航空】抑制音爆是重点!超音速客机有望重出江湖
罗纳尔多 2015-12-09
导语

美国宇航局目前正在研发一种新的技术,能够让超音速客机的音爆降低到最小。NASA实验室还招募了一些志愿者,模拟超音速客机飞行时对机上乘客的影响,如果一切顺利,超音速客机会在2025年后问世。

超音速商用飞机将东山再起,在不太遥远的未来,我们将获得更快的飞行体验,但目前超音速客机仍然有个问题,这就是音爆。

超音速客机的飞行速度一般在每小时761英里以上,相当于每小时1225公里,音爆形成后可对地面上的人员、建筑形成危害。因此美国宇航局目前正在研发一种新的技术,能够让超音速客机的音爆降低到最小,在超音速飞行航线上的城市不会受到音爆的干扰。

在协和超音速客机的飞行航线上几乎没有大城市,该飞机仅限于在海洋上空进行超音速飞行,只能运营跨大西洋航线,起降的机场也被严格限制,因此它的噪音水平太大了。协和式超音速客机退役后,世界上就没有超音速客机服役,目前美国宇航局正在研制的并不是超音速客机,而且超音速飞行技术,其中如何降低音爆是难点之一。超音速飞机在跨越音障的那个瞬间,会产生明显的冲击波,机翼前缘会看到明显的冲击波轮廓。

美国宇航局兰利研究中心的科学家亚历山德拉认为,美国宇航局试图改变超音速客机的限制,因为从1973年之后,美国联邦航空管理局就禁止超音速客机在美国本土上空飞行。如果新的噪音认证可以通过,那么超音速客机才能在美国本土运营,至少从目前看,超音速客机只能在海洋上空实现超音速飞行。美国宇航局兰利研究中心的风洞正在测试超音速降噪方案,声学工程师乔纳森认为,我们把音爆“拆成”几个部分,试图找出哪个部分产生了烦扰的噪音。

NASA实验室还招募了一些志愿者,模拟超音速客机飞行时对机上乘客的影响,如果一切顺利,超音速客机会在2025年后问世,至少在可预见的未来,超音速客机有望重出江湖,进入航班飞行的序列中。

音爆是个什么鬼?

我们知道,如果给空气一个扰动,声音也会像水一样通过波的形式向外传播,这就是声波。我们平时听见的声音就是声波传入耳内刺激鼓膜产生的。音爆也是一种声波,不过,它是只有在飞机超音速飞行时才会发出的巨大声响。

要了解“音爆”首先得从飞机高速飞行时产生的冲击波或者说是激波(本质上也是声波)开始。激波的原理基于多普勒定律。当波源运动的速度大于波速时(即飞机超音速行驶时),急速运动的波源前方不可能有任何波动产生,所有的波全都被挤压而聚集在一个圆锥面上。在这个圆锥面上,波的能量已经被高度集中,容易造成巨大的破坏,这种波就是激波。它的性质还是可以听到的声波。

所以,当飞机在空中做超音速飞行时,在机头或突出部分,也会像水中前进的快艇一样,出现一种楔形或锥形波,也就是激波。此时,飞机所发出的疏密状的音波无法跑到飞机前方,而是全部叠在机身后方,形成了圆锥形状的音锥。当它们向外传播时便互相干扰和影响,然后汇集成一道包罗机头的音爆前激波和一道尾随机尾的后激波。

这种波虽然也可以用上述的楔形水波来比拟,但却与楔形水波有着迥然不同的性质。激波的厚度很小,经过激波后空气的压强、密度、温度都突然降低,气流速度立即下降。这时,无论哪个空间或物体被这两道激波波及,均会感到这种强烈的变化;如果超音速飞行的飞机高度较低,激波碰到地面,反映到人耳里,即会使耳鼓膜受到突然的空气压强变化,耳朵就感觉到两声雷鸣般的巨响。这种响声就称之为“音爆”。伴随音爆而生的还有音爆云。

达到音速30倍 超音速客机或2030年亮相

据国外媒体报道,目前一项超音速飞机计划正在紧锣密鼓实施中。这架名为“SpaceLiner”的飞机未来最快速度将达到音速的30倍,预计2030年正式亮相。据悉,该计划最早由德国航空航天中心在2007年提出,希望采用液氢和液氧做燃料,使得排放物仅为水蒸气。

该空天飞机由两个可循环利用的部分组成:一部分是客运轨道飞行器,另一部分是采用液态氢和氧等环保燃料的火箭助推器。助推器将在10分钟升至音速的20多倍,在大约8分钟后在离地80千米的高层大气与飞行器分离,而后飞行器将进入滑行模式,以15000mph(约24140公里/小时)的速度滑行道目的地。

SpaceLiner飞行测试预计将于2035年开始,在21世纪40年代正式投入运营。一旦成功,届时每天至少能有15次航班,而乘客从伦敦飞达悉尼仅需一个半小时。

以液体氢为动力?未来的极超音速客机什么样?

Lapcat-II是一款欧洲制造的飞机,它能达到比声速快8倍的速度,从布鲁塞尔到悉尼也只要2小时55分钟。在AIAA超音速飞机会议上, Lapcat-II 的研发者提出,这款设计比现存的飞机更环保,成本也不比现在的许多长途航班高。工程师们已经测试了两种原型了,一是马赫5飞机,一种是马赫8飞机,都是以冲压式喷气发动机为动力。

日本方也在研发一种极超音速飞机叫做Hytex,其预想的速度为马赫5.其运用液体氢作为燃料和冷却剂。这两种飞机的研发都属于 Hikari工程。

在目前的研发项目基础上,机票价格将会是目前的亚音速飞机商务舱的3倍多,从布鲁塞尔到悉尼的机票大约要5000欧元。

(本文来源:科技世界网)

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文章评论(2)
爱因斯坦[北京航空航天大学]

还是没有说清到底怎么抑制音爆!

714天前 | 回复
柏岩[北京航空航天大学]

音爆的确是超音速飞行的制约因素之一,但是经济性,安全性同样重要

956天前 | 回复
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作者 罗纳尔多

学生

北京理工大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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