解超级声爆

钱锟

超级声爆危害大

我们知道，飞机超声速飞行时，声波会叠加在机身之后，再一点点散开，就好比飞机的尾巴拖着一个由声波组成的圆锥，这就是马赫锥。如果这时飞机突然加速，其产生的马赫锥的形状就会改变，其马赫角变小，从而导致早先形成的马赫锥还没有散去，新产生的马赫锥就和旧的交汇融合，而马赫锥交汇融合的曲线被称为焦散曲线（caustic），而位于焦散曲线上的声爆就是超级声爆。

理论上讲，超级声爆的强度比普通声爆要大得多，原因是超级声爆是相位相同、强度不同的无穷多个声波（N波）在焦散曲线上叠加的结果。超级声爆的波形呈现独特的字母“u”形状，俗称u波，而u波一旦传到地面，会产生强度加倍的轰鸣声，人会听到强度更大的“嘭-嘭”两声巨响。

相对于普通声爆，超级声爆能量更大，危害更大。如果普通声爆能够震碎门窗玻璃，那么同等量级的超级声爆就足以震垮塌钢结构楼房。值得注意的是，超级声爆如果发生在在焦散曲线与地面的相切点上，那么对相切点及附近的破坏肯定是最严重的。而地面其他区域的人们只能感受到常规声爆。因为焦散曲线与地面的相切点只有一个，所以超级声爆只能在这个切点上被测试到。

反射现象的玄机

超级声爆的另一个独特现象就是反射现象，即u波会沿着焦散曲线发生反射。如果焦散曲线的高度高于地面，则向下传播的声爆N波在焦散曲线处变为u波，并向天空方向反射，从而避免了高强度的u波传向地面方向。而传向地面的是低能量的散射波，基本可被忽略。

同理，向上传播的声爆N波在焦散曲线处变为u波，并向地面方向反射，但由于其传播距离过大，最终到达地面已经穿越了很远的距离，其u波携带的高能量大部分会在大气中耗散掉，而最终到达地面的反射波能量被大大削弱。所以，反射到地面的超级声爆的u波强度也很低，但是否能被忽略，还没有经过试验验证。

研究人员开始认真研究超级声爆控制问题始于2011年。当年，NASA德莱顿飞行研究中心在位于加州的爱德华空军基地展开了具有开创性的试验，被称为“超级声爆焦散曲线分析与测量飞行试验研究项目”（简称Scamp项目）。在2013年1月召开的美国航空航天学会福特沃兹会议上，Scamp项目的负责人、NASA工程师朱丽叶·佩奇（Juliet Page）首次向外界公布了其超级声爆飞行试验研究项目的工程细节，引起了业界的广泛关注。

Scamp项目的试验方法是在爱德华空军基地旁的沙漠中布置一个直线噪声传感器阵列，该阵列由81个噪声传感器组成，而F/A-18研究试验机则在10 000英尺（合3 048米）高空沿着这个直线噪声传感器阵列飞过，并反复进行直线加速度超声速飞行，以便地面的噪声传感器采集到声爆强度数据。据悉，目前，Scamp项目已经飞了13个架次，期间成功测量到了20次强度不等的超级声爆，试飞效果很理想。

Scamp项目的试验目的有三：首先是精确测量超级声爆发生的位置，并测量其传到地面的最大强度；其次是提取试验结果参数用于校准NASA之前研发的超级声爆预测和计算软件的计算精度；第三是设法控制超级声爆的波形，降低超级声爆的u波强度，甚至完全消除有害的超级声爆。前两条试验目的已经圆满达成，而最后一个难度过大，还在探索之中。

关于超级声爆控制技术研究，目前NASA有两个思路，第一个思路和普通声爆控制技术的出发点完全相同，即设法改变超级声爆的波形，力求将超级声爆的波形从u形优化成为接近“正弦函数波形”，从而降低其强度。这个思路的优点是可以利用现成的普通声爆控制技术研究成果，缺点是即使成功修型，超级声爆的强度可能仍然远远超过普通声爆，远超过人们可接受的水平。

第二个思路则非常新颖，即利用超级声爆的反射特点，将向下传播的声爆N波在焦散曲线处变为u波，并向天空方向反射。从而避免了高强度的u波传向地面方向。这一思路非常具有创新意义，而且代价很低，所以引起了业界的极大关注。Aerion集团更是不惜重金和NASA合作研究了“跨声速声爆消减技术”（Transonic Boom Cutoff），以求应用到其正在研发的SSBJ超声速公务机之上。但是这个思路实现起来有如下前提条件。

条件一 不能飞得太低，因为只有巡航高度足够高，才能保证焦散曲线的高度高于地面，这也是Aerion集团为什么将其SSBJ超声速公务机的巡航高度设定为51 000英尺（15 545米）的主要原因。

条件二 飞行马赫数必须严格限制在马赫数1.1～1.2范围内，进行加速-减速-加速的往复循环变速飞行，不能飞得太快，因为只有这样，焦散曲线的高度才能高于地面，从而形成“绿色”的无声爆区域。当然，这提高了超声速飞行器飞控系统的设计难度。据猜测，Aerion集团在其SSBJ超声速公务机的电传飞控系统软件中写入了有关飞行速度的循环程序。实际效果有待观察。

无论如何，NASA的Scamp项目使得人类对于超级声爆这一奇特自然现象的认识又深入了一步，为人类探索完美超级声爆控制技术提供了新的思路。协和飞机退役以来，国外居然没有一种超声速旅客机服役，可见声爆已经成为了制约民用超声速飞机发展的关键技术瓶颈。如果Scamp项目的研究成果能使民用飞机在陆地上空超声速飞行，市场前景就太大了。

责任编辑：吴佩新