波音高超声速客机计划：新概念还是“炒冷饭”

陈培儒

过去的一个多月时间里，对于波音公司来说，除了与巴航工业的并购案吸引了全球航空業的关注之外，其第一次公开高调对外宣布的高超声速客机项目同样在民用航空领域引起了强烈反响。事实上，在民用航空领域，超声速客机并不是一个新概念。问题的关键是，此次波音推出的高超声速客机能否从纸面变为现实？它又会对民用航空工业造成怎样的影响？

最高达到5倍音速

在2017年的巴黎航展上，波音公司CEO丹尼斯·米伦伯格曾经对媒体表示：“未来10～20年，波音公司的高超声速客机有望成为现实并投入商业运营。”这番话在当时曾引起巨大反响，媒体纷纷将其解读为波音公司即将开展高超声速客机研制的宣言，认为波音将很快公开其相关研制计划。但此后，波音一直未对外宣布关于高超声速客机的研制动态，仅在2018年1月对外展示了一个无人版的高超声速飞机模型，并且明确表示这个模型的背景是高超声速侦察打击机。

在2018年6月举行的美国航空航天学会（AIAA）年度峰会上，波音公司却出人意料地首次公开了一个高超声速飞行器概念图。这个概念图是一款民用客机。波音公司表示，这款高超声速飞机的速度将达到5倍音速，这也意味着这款飞机在伦敦飞往纽约的跨大西洋主要航线上，只需要2个小时就可以抵达目的地。尽管在高声速技术尚处于试验阶段的今天，很多人认为谈论一款速度能超过五倍音速的商用飞机似乎过于科幻，但波音已经为这款飞机设定了30年的研发时间表。

对于民用航空市场而言，超声速客机并不令人陌生。早在20世纪60年代，苏联图波列夫设计局就研制出图-114超声速客机，并于1975年投入运营。几乎在相同的时间，法国宇航局和英国飞机公司也联合研制出著名的“协和号”超声速客机，并于1976年投入运营。

“协和号”飞机能在1.5万米的高空以2.2倍声速巡航，从巴黎飞至纽约只需要3小时20分钟，比搭乘普通民航飞机节约了一半的时间。1996年，“协和号”飞机以2小时53分钟的时间，完成了从伦敦到纽约的航班，这个纪录至今依旧是民航业飞行速度最快的航班纪录。但最终，这两款飞机由于高昂的运营成本和令人难以忍受的声爆问题，分别在1984年和2003年结束商业运营，退出了历史舞台。

虽然从商业的角度来看，这两款飞机是失败的，但是人们并未放弃对超声速客机的追求。1986年，美国宣布启动“空中快车”计划。在这项计划中，除了将超声速客机定义为新一代航天运输工具外，也描绘了其作为高超声速客机的应用前景——它能以5倍声速连续飞行1.2万公里，从美国横跨太平洋飞至东京仅需2小时。

进入新世纪，越来越多的国家和研究机构开始涉足高超声速客机的研发。2011年，英国Hypermach公司宣布研制“Sonic Star”高超声速商务机计划。根据规划，这款飞机的最大飞行速度将是“协和号”飞机的2倍，飞行高度可达1.8万米。2015年，欧洲和日本合作开展了一项涉及高超声速载人飞行的研究计划，日本宇宙航空研究开发机构提出了“JAXA2025”长期愿景，以验证高超声速客机以5倍声速巡航的可行性方案。此外，美国也在进行X-43、X-51超声速无人飞行器的试飞试验，这两个项目的最快速度都可达到7倍音速。

波音的技术和布局

长期以来，波音一直在通过不同途径持续对高超声速客机进行研发投资。近年来，波音先后成功研制并试飞了最大飞行速度马赫数9.8的氢动力高超声速飞行器X-43和最大速度马赫数5.1的由喷气式发动机推进的试验型导弹X-51。同时，波音在与国外科研院所的合作方面也是动作频频。公司下属的风险投资公司地平线X（Horizon X）对反作用力发动机公司（Reaction Engines）进行了投资，旨在利用后者为其高超声速飞机提供动力装置。

反作用力发动机公司以研制协同吸气式火箭发动机（SABRE）而闻名于世，其研制的发动机融合了喷气式发动机和火箭发动机技术，能在吸气模式下达到5马赫的速度，在太空模式下达到25马赫的速度。2018年4月，波音又联手英国BAE系统公司和罗罗公司一起对反作用力发动机公司进行了新一轮融资，三家公司的投资总额达到3730万美元。

与此同时，波音开始陆续公布高超声速ISR军用飞机和民用客机概念方案及研制计划，这一方面展示了波音在高超声速飞机领域的大手笔，另一方面也暗含着与老对手洛克希德·马丁公司的浓烈竞争意味。对此，《航空周刊》在报道中是这样评价的：“波音公司此次公布的民用高超声速飞机方案是其朝着瞄准商业和军事应用的长期发展规划迈出的第一步。这表明波音在高超声速技术应用领域已经进行了长远而全面的布局。”

目前，波音研究与技术（BR&T）高超声速部门的专家正在联合波音民用飞机集团（BCA），共同开展高超声速客机研究。根据计划，该飞机将以5倍声速飞行，巡航高度达到95000英尺（约29千米），速度是“协和号”的2倍，飞行高度也提升了3万英尺，可以在2个小时内横跨大西洋，3个小时内横跨太平洋。

在飞机的外形设计上，波音此次公开的高超声速民用客机方案与1月初展示的ISR军用飞机设计相似，也采用了大后掠三角翼加双垂尾布局，前机身有明显的突起脊背。但客机拥有更大的机舱容积，前机身更为扩展，采用先进的钛合金机身结构。

波音表示，这一初始外形方案利用了大量公司早前的研究成果，其中包括50年前的波音2707超声速运输机项目、1990年代的高超声速民用运输项目、2000年代早期跨声速的音速巡航机概念以及波音从各种低爆和超声速商务机研究中获得的设计经验。

但是，波音至今还未公布更多的细节，例如飞机的载客量、航程等关键信息。由此可见，波音公布的这个概念目前还处于一个发展过程中，概念方面的细节未来还会根据需求进行改变和完善。

在飞机动力装置方面，由于波音公布的高超声速客机与之前的高超声速军用飞机系出同源，所以不出意外的话，两者都将采用全尺寸涡轮基冲压组合（TBCC）发动机，而美国国防预先研究计划局（DARPA）经过长期预研和论证，已经在2016年明确了全尺寸涡轮基冲压组合发动机是高超声速飞机动力系统的最佳解决方案。

全尺寸涡轮基冲压组合发动机是一种通过涡轮发动机和冲压发动机组合形成的新型动力，涉及涡轮发动机、冲压发动机和TBCC集成（核心是实现涡轮与冲压模态的相互转换）三大方面的技术研发工作，其难度和复杂性可想而知。兩年前，美国宣布启动“先进全状态发动机”（AFRE）项目，旨在研发和地面验证一种能够在马赫数0～5+范围内无缝工作的涡轮基冲压组合发动机，以支撑未来高超声速飞机的研制。尽管AFRE项目旨在满足军方的需求，但对民用领域有一定的参考意义。

DARPA在AFRE项目中提出的要求是，未来的TBCC发动机将能够满足航程大于1200海里（约2200千米）、速度大于马赫数5，且飞行高度大于6万英尺（约18千米）的高超声速飞行器的要求。DARPA曾表示，AFRE项目将在2020财年前后完成全尺寸TBCC模态转换地面试验，并有望在2025年前后完成基于TBCC的高超声速飞机验证机首飞。

尽管AFRE项目给出了关于TBCC发动机从研制到投入应用的明确时间表，但需要明确的是，DARPA主导研制的TBCC是为了满足10吨级军用平台的需求，对于商用客机来说存在明显不足。就波音公司发布的新概念来说，如果采用50座级布局，即使机身采用大量新材料和新技术，其最大起飞重量将达到20吨左右，如果采用两台发动机，对发动机的推力性能将提出更高的要求。

距商业飞行有多远

对于飞机制造商来说，高超声速客机投入商业运营除了要解决一系列技术难题之外，还要解决乘客的接受能力和运营舒适度等难题，而后者要比前者的难度更大。

以乘客感受最为直观的声爆为例，声爆是飞行器在超声速飞行时产生的一种大气声学现象，当飞行器突破音障时，会产生巨大的能量，这些能量传到地面，会产生短暂而强烈的爆炸声。因此，声爆的强弱关系到高超声速客机能否被允许在陆地上空飞行，若噪声问题得不到解决，高超声速客机就不会实现经济和环保，也就不会被大众所接受。

目前，美国联邦航空局规定，禁止客机飞行速度超过0.99倍声速。国际民航组织也规定，禁止任何民用飞行器制造“声波干扰”。要想改变现有的民航管理条例，高超声速客机必须展示出优异的降噪性能。

此外，高超声速客机还必须解决相应的材料与结构技术难题。高超声速客机在飞行过程中，机头、舵面、机翼前缘以及发动机燃烧室、喷管等都具有较高的温度，而燃料储藏箱、管道等则需要保持低温环境，目前还很难研制出既能热防护又能耐低温的材料。

在笔者看来，10～20 年内，这种客机投入运营似乎希望渺茫。综合美国发展高超声速飞行器的历程来看，其飞行试验就需要10年时间。在这一过程中还需解决飞机的全新设计、新材料的生产应用以及取得商业飞行的适航证等问题。因此，对于飞机制造商来说，要想真正实现空间的“瞬移”，仍然任重而道远。