導讀：民用飛機自誕生以來，一直因其快捷、直達、方便、舒適的特點受到旅客的青睞並逐漸成為人類日常生活中不可缺少的交通工具。但是，隨著跨洋航線等長距離、長航時的航線增多，傳統亞音速民用飛機面臨挑戰日益增多，超音速民用飛機的研究悄然開始。
超音速民用飛機發展起點較早，發展過程卻一波三折。早在1950年左右，隨著超音速軍機的出現和成功，人們開始研究超音速民機的可行性。1956年、1962年，歐洲、蘇聯相繼開始了超音速民機的研製。1976年、1977年，歐洲的「協和」號超音速民機(Concorde)和蘇聯的圖-144超音速民機(如下圖所示)相繼投入商業運營。然而，由於倉促上馬，「協和」號和圖-144在安全性、舒適性、經濟性、環保、噪音等方面都存在著較大問題，最終都在發生空難後黯然下馬。
「協和」號和圖-144
近些年來，隨著科技日趨完善，傳統制約超音速民機發展的因素逐漸消除，超音速民機再次成為了全球航空領域的研究熱點，多型新型超音速民機正在研製中。
AS2(如上圖所示)是Aerion Supersonic與空客公司於2014年宣布共同開發的超音速公務機，空客派出了一個工程師團隊協助Aerion公司進行機體結構、數字飛行控制、集成燃油系統和著陸系統設計工作。
按照原計劃，Aerion公司將在2018年末或2019年初製造一款原型機，並在2021年使這款飛機投入使用。但這款飛機的研製不斷跳票，2018年10月，Aerion Supersonic與洛克希德馬丁公司(後中斷合作)及通用航空公司合作完成了AS2超音速商用飛機的概念設計階段，並開始初步設計，但AS2投入實用時間也延遲至2025年。
AS2項目主要合作夥伴和供應商情況如下表所示：
AS2主要合作夥伴和供應商
AS2基本性能參數如下圖所示，機長51.8米，翼展18.6米，起飛重量約54.8噸，載客8～12人，最大巡航速度1.4馬赫，航程超過9800千米。在氣動布局方面，AS2採用了「小後掠梯形薄機翼+T形尾翼」的常規布局，可以有效的解決布置於機身兩側的發動機尾流對尾翼產生較大噪音的問題。此次，兩側發動機布置在機翼下方並向前凸出，這樣有利於提升效率並方便保養、維護。
AS2
AS2機翼採用10根梁的結構，類似於噴氣戰鬥機
在動力方面，AS2採用的是GE公司2018年10月發布的Affinity發動機(如下圖所示)。資料顯示，Affinity是一種新型的中等旁通比雙軸雙風扇渦扇發動機，設計用於在水上進行高效超音速飛行和在陸地上進行亞音速飛行，這款發動機使用了全權限數字引擎控制(FADEC)，能夠監督引擎操作合規的所有方面，而無需手動幹預。此外，Affinity能與Aerion的自然層流概念配合使用，該概念使用機翼前緣和新的機身設計，以減少機翼上的空氣阻力高達60%，總阻力降低20%。
Affinity
AS2共有4個速度點，分別是跨聲速巡航、無音爆巡航、高速遠程巡航和最大速度巡航。根據不同要求，AS2的巡航速度和航線可以靈活設置。如果AS2飛越的國家允許無音爆超聲速巡航，AS2可以1.1～1.2馬赫巡航;如果禁止超聲速巡航，AS2則可以0.95～0.98馬赫的跨聲速進行巡航。
S-512(如上圖所示)是美國Spike Aerospace公司於2013年開始研製的新一代超音速公務機。自2013年開始研發以來，該項目也是多次延期，從最早2018年完成試飛一直推遲到在2021年年初完成試飛。
S-512主要合作夥伴和供應商情況如下表所示：
S-512的主要性能參數如下表所示，飛機機長37米，翼展17.7米，最多可容納18位乘客，航程為11482千米，巡航速度為1.6馬赫。另外S-512產生的噪音預計小於75分貝(PLdb)，聽起來像是拍手聲或背景噪音。
S-512的主要性能參數：
資料來源：http://www.spikeaerospace.com/
在外型設計方面，S-512外型氣動布局設計特徵如下圖所示，飛機外型氣動布局設計平衡了飛機高速、高升力、穩定性及操控性要求。
S-512外型氣動布局設計特徵
在減噪方面，為較少噪聲，S-512相對協和號大幅縮小了飛機尺寸和重量，另外S-512還大量使用先進的計算流體動力學(CFD)軟體改進機翼和機身的形狀參數來實現減噪。
S-512和傳統超音速飛機音爆對比
另外，飛機還採用了數字客艙技術，大幅提升了乘客乘坐體驗。飛機用大尺寸高清屏幕取代了乘客窗戶。S-512的外部布置有微型攝像頭，其將鏡頭髮送到襯砌機身內壁的薄而彎曲的顯示器上並形成完整的外部全景。如果乘客想睡覺，他們可以使屏幕變暗或從選擇其他環境圖像。
S-512客艙
X-59
NASA在2012年宣布重啟超音速飛機研發，主要目標就是消除音爆問題，測試一項「安靜超音速技術」(QueSST)。2016年2月，NASA授予洛克希德馬丁公司臭鼬工廠初步設計合同，開始超音速飛機即X-59靜音超音速技術(Quiet SuperSonic Technology，QueSST，如上圖所示)飛機的初步設計。2018年4月，洛克希德馬丁公司又獲得了X-59的2.475億美元驗證機製造合同並於同年11月開始了飛機的製造。2019年12月，X-59通過了重大項目審查，進入到了最終組裝和系統集成階段。
X-59組裝
根據合同，X-59將於2021年在阿姆斯特朗飛行研究中心和愛德華茲空軍基地試飛並進行靜音技術和安全性方面的驗證。隨後，從2023年起，NASA會讓飛機經過美國部分城市的上空，收集大眾對噪音的反饋情況。這些信息將為美國和國際監管部門提供超音速飛行監管依據。
X-59主尺寸及主要性能參數如下所示，飛機長29米，翼展9米，最大起飛重量14700千克，安裝一臺通用電氣F414加力渦扇發動機，最大速度1.5馬赫，並能在16800米高空以1.42馬赫的速度持續巡航。為了降低成本並加快研製速度，該機的座艙、彈射座椅和座艙蓋來自諾斯羅普T-38教練機，起落架則來自F-16。
X-59主尺寸及主要性能參數
X-59採用了低音爆氣動外形，飛機主翼前面有一對小前翼，它們可以對衝擊波進行整形，並防止它們在飛機後面聚結。配合X-59的狹長機身，它能將飛機發出的噪音降低到75分貝(PLdB)以下，相當於汽車關門的聲音。
低音爆氣動外形也讓X-59做出了頗多妥協，如誇張的長機鼻阻礙了座艙前向視野，而採用可調機鼻又將導致重量和複雜性的上升，因此該機採用了增強型飛行視覺系統(EVS)，由一臺33°x 19°視角的前向4K攝像機為飛行員提供視野，由另一臺柯林斯EVS-3600多光譜成像系統來提供降落視野。
採用EVS的駕駛艙
為了提供低音爆外形所需的光滑船底機腹，X-59隻能把發動機進氣口安裝在機背，但渦流引起的進氣氣流變形將成為一個問題。
Overture
Overture是航空初創公司Boom Supersonic正在研發的一款商用超音速客機，如上圖所示。Boom Supersonic公司設想飛機機長52米，翼展18米，以2.2馬赫(每小時2715公裡)的速度行駛，航程8300公裡，載客55至75名。Overture運用了空氣動力學、渦扇發動機設計和燃油效率提升方面的最新技術成果，計劃在2020年代中期首次試飛。為測試和完善Overture的最終設計，並確保Overture的效率、安全性和可靠性，公司開始研製Overture超音速客機的1:3比例原型機XB-1。
XB-1設計機長21米，翼展5.2米，最大起飛重量為6100 kg，採用碳纖維、環氧樹脂等輕質複合材料製成。飛機基本結構如下圖所示：
XB-1研製進度如下表所示，目前XB-1上的飛行控制系統和發動機已經完成，該公司現在正在對駕駛艙結構進行最後的修改，機身仍剩大約一半的工作，機翼結構也還有大約三分之一的工作。Boom Supersonic公司計劃於2020年晚些時候試飛XB-1。
XB-1研製進度：
資料來源：https://boomsupersonic.com/xb-1
除上述「近期即將」推出的超音速民機研究以外，還有一些遠期超音速民機研究項目也在開展。例如2018年年底，歐洲聯合俄羅斯、澳大利亞和巴西等國，通過「高超聲速飛行試驗-國際合作」(Hexafly-Int)項目，完成了一型馬赫數7～8級高超聲速滑翔飛行平臺概念方案的評審工作。該項目計劃試飛一型速度馬赫數7～8、無動力的滑翔飛行平臺縮比樣機。該樣機計劃在2020年進行試飛，其遠景目標是發展一型能夠2～3小時內從歐洲飛至亞洲和澳洲的高超聲速民機。
小結
近年來，隨著信息技術、材料技術、發動機技術等先進技術的快速發展和應用，傳統制約超音速民機發展的問題逐漸消失，國外主要飛機製造商波音、空客等公司都積極投入超音速民機的研製中。我國作為後發航空大國，發展超音速民機及相關先進技術，市場及技術意義重大。（本文作者：北京太陽穀諮詢有限公司 研究員 李安國）
主要參考文獻
1.Flight Testing Designs in HEXAFLY-INT for High-Speed Transportation.
2.Exploring the Prospect of Small Supersonic Airliners–A Business Case Study
Based on the Aerion AS2 Jet.
3.X-59 Quiet Supersonic Technology X-Plane Silencing the Sonic Boom
4.https://www.aerionsupersonic.com/
5.https://boomsupersonic.com/
6.http://www.spikeaerospace.com/
7.外形十分科幻，美國研製一低噪飛行器，將引發超音速客機革命
8.歐洲Hexafly-Int項目正在進行馬赫數7-8的高超聲速滑翔飛行平臺縮比樣機方案評審