杨扬 王存远 闵子骏

近日，美国宇航局报告称X-59的初步测试顺利完成，这标志着美国在静音超音速技术上取得了巨大的突破。21世纪以来，超音速技术逐渐发展成熟，各国仍不断追求突破多倍音速，但早在2018年NASA就和洛克希德马丁公司合作开始进行静音超音速技术的研究。那么，是什么原因让美国如此重视静音超音速技术的发展？作为NASA的重点发展对象，QueSST计划究竟有何粲然可观之处？其在新式战机和民航上的运用又能带来怎样的变革？

音爆限制了超音速飞机的发展

民用飞机自诞生以来，一直以快捷、直达、方便、舒适的特点受到人们的青睐并逐渐成为人类生活中不可缺少的交通工具。但是，随着跨洋航线等长距离、长航时的航线增多，传统亚音速民用飞机面临的挑战日益增多，超音速民用飞机的研究也悄然开始。

1950年左右，随着超音速军机的出现和成功，人们开始研究超音速民机的可行性。1976年欧洲的“协和”号超音速民机投入商业运营，但因为其存在噪音大、运营成本太高、安全性差等原因，最终2000年在发生空难后黯然下马。

但随着科技日趋完善，传统制约超音速民机发展的因素逐渐消除，超音速民机的发展再次成为全球航空领域的研究热点。可由于超音速飞机在以音速飞行时会产生音爆，产生的巨大噪音和冲击波会给地面上的人们造成危害，所以超音速飞机基本上只能够在大洋上进入超音速飞行状态，这极大地限制了超音速民机的活动范围，同时也限制了超音速民机的发展。

为了抢占世界民机技术发展的制高点，维持自身在相关领域的领先地位，美国多年来一直没有停止超音速民机相关技术的研究。但由于超音速民机的大型化、高航速、远航程而带来研制技术难度过大的问题，美国将关注重点放在小型超音速民机、尤其超音速公务机上。而噪音大一直也是各国无法在超音速民机上取得突破的重要原因，因此美国非常重视QueSST计划的发展。

在2016年NASA与洛克希德马丁公司就为了实现减轻音爆发生的超音速民机“QueSST”，发布了共同开发的“X plane”研究机。2018年NASA和洛克希德马丁公司正式合作开始进行静音超音速技术的研究。目前，X-59已完成机身静态测试，其他测试均进展顺利。按照计划，X-59将于今年完成首飞，随后将进行总体飞行特性、飞机稳定性和新型航空电子设备和控制系统的测试。然后将开始研究利用新的空气动力学而减少超音速影响的可能性。如果测试结果良好，X-59将于2023年开始全面测试，预计完成所有测试将不迟于2025年。

X-59整合各方优势采用新式布局

X-59外形尺寸与美国空军现役的F-16战斗机相当，机长28.65米，翼展9米，最大起飞重量14755千克。该机动力装置为一台通用电气公司研制的F414-GE-400涡轮风扇发动机，加力推力可达98千牛。该机正常巡航飞行高度16764米，巡航速度Ma1.42，最大飞行速度可达Ma1.5。

X-59借助机身的特殊空气动力学外观达到了QueSST计划大大降低了飞机突破音障后产生的噪音的目的--机头细长尖锐，呈长矛状，可以将飞行中头部方向产生的强激波分解为多个弱激波；在主翼前方安装有一对固定鸭翼，可以有效阻止机身各处产生的多个弱激波汇集成强激波。新外观不是排除冲击波和抑制冲击波的形成，而是不允许它们叠加在一起产生强大的音爆。

据计算，在高空飞行时，超过60-75分贝的音爆会到达地面，而曾经的“协和”号超音速民机在16000米的高度以2马赫的速度飞行，瞬间产生的音爆到达地面时相当于130分贝，足以把玻璃震碎，同时还会对人耳造成不可逆的损伤。相比之下，Concord衬垫至少可以吸收100-110分贝的噪音。这种降噪不仅允许在海洋上空飞行，而且还允许在陆地上空飞行，包括靠近人口稠密的地区，并且不会像以前那样影响人的健康或损害环境。

根据QueSST计划的理论基础，X-59飞机的特点是机身薄且伸长率高，其总长度的30%左右由一块具有平地和弯曲顶部的鼻锥构成。整流罩后面是一个机舱，没有突出的顶篷，尾部采用通用电器F414发动机的机舱形式制成，这样大大降低了机身与空气的接触面积，从而起到降低噪音的作用。但是长鼻子形状的整流罩挡住了飞行员座位前后的视线，使起飞和降落变得困难，为了解决这个问题，，该机将配装一套NASA开发的高清晰度综合外部视觉系统（XVS），以帮助飞行员观察前方场景，摆脱了通常的挡风玻璃，改进了机身的设计。

X-59还配备了一个小面积的前水平尾翼单元，在它的后面是一个中程三角翼，前缘有一个中断，起到了减少机身与空气撞击的作用。此外，X-59的顶部还带有附加水平面的龙骨和传统的稳定器。考虑到冲击波的减少，团队还专门计算了平面的形状、大小和排列顺序。

此外，X-59还摆脱了通常的挡风玻璃，改进了机身的设计，采用了一个单一的“玻璃”驾驶舱。仪表盘上使用四个大小不同的显示器，其中三个用于提供各种信息，第四个结合了挡风玻璃和其他指示器的功能。四个显示器使整个机舱变得更加简洁明朗，一改民航飞机驾驶室中各种设备杂乱无章的现象。

从总体来看X-59飞机在发动机和外部视觉系统上并没有新的创新，而是采用目前市场上的商用现货产品，虽然不能有效提高飞机的性能，但节省了成本和提高了系统的可靠性，保证了QueSST计划的顺利进行。

QueSST计划可应用于新式武器

目前，X-59仍处于测试阶段，预计在2025年之前完成所有测试。如果QueSST计划顺利完成，那么超音速民机的发展将进入一个前所未有的时代。QueSST在民机上的运用可以有效缩短中长距离航线所花费的时间，理论上，相比普通亚音速客机，飞行速度高三倍的超音速客机，可以在相同时间内在同一条航线上运送同等数量或者更多的旅客，从而取代三架亚音速客机或腾出用于其他航线，并在人力和维护方面减低成本。

QueSST计划虽然是为了超音速民机的发展而进行的，但是静音超音速技术依然有在军事上运用的可能。近年来，各国的第五代战斗机都能够达到超音速，虽然增强了战机的机动性，但同时也降低了其隐蔽性。如果将该技术运用到各式超音速战机上，可以大大增强其隐蔽性，在实战中能够悄无声息的突破敌军的防线，达到快速突防的效果，提高空军的夜战能力。

轰炸机的超音速和隐身是不能兼得的，轰炸机以超音速飞行时会增加一些红外特征，增加发热量，增加整个飞机被雷达发现的几率。如果采用过多的特殊材料来增强隐身效果，那么又会降低轰炸机的飞行速度，如果能够将QueSST应用于轰炸机中，通过气动布局来降低飞机与空气的摩擦从而降低发热量，达到隐身的效果，同时也不会降低轰炸机的飞行速度。

X-59所采用的特殊气动布局甚至有可能运用到太空领域，来降低火箭飞行时所带来的阻力，减少燃料的携带量，从而降低成本。以及降低卫星在太空飞行速度动能损耗，提高卫星的使用寿命。

目前，QueSST计划还处在测试阶段，NASA也没有透露其真正的前景和未来的应用方向，但相信该计划如若能取得成功一定可以在民用、军用和太空等领域上起到重要作用。