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超声速客机的研制现状和发展前景
2019-11-26   来源:飞商网   阅读次数:50   

中国航空报讯:超声速客机的研制代表了一个国家的工业制造、航空技术和国防科技水平。近几年,各国又重新对超声速客机进行研制和规划。

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超声速客机的研制现状

第一代超声速客机于1976年投入运营,2003年停飞。与飞行高度10千米左右和巡航马赫数0.85左右的普通客机相比,法英联合研制的这款“协和”超声速客机的飞行高度15千米、巡航马赫数2.02。前苏联图-144超声速客机的飞行高度16.9千米、巡航马赫数2.28。第一代超声速客机存在突破音障的噪音扰民问题,使得美国不允许它飞越其陆地上空,限制了广泛应用。目前一些国家正在研制载客12~80人的超声速公务机(SSBJ), 集中解决音爆噪音问题。不少飞机适当降低巡航马赫数到1.4~1.8,以解决飞行阻力大和耗油量大的问题。

目前,三家美国航空航天公司——洛马公司、Spike公司和Boom公司——正在竞相成为第一个将超声速客机推向市场的公司。洛马公司于2018年上半年赢得了美国航空航天局(NASA)的一项价值2.48亿美元的合同,用于建造一架超声速演示飞机,它被称为X-59 Que SST,将以1.42马赫在16.8千米高度飞行。X-59长28.7米,翼展9米,最大起飞重量14.7吨,装备一台F414-GE-400涡扇发动机,计划于2021年首飞。2022年中期,NASA将开始在美国各城市进行飞行测试。

洛马公司还推出了N+2商用超声速飞机,可搭载80名乘客,时速最高可达1900千米(马赫数1.78),从纽约到洛杉矶穿越美国只需2.5小时。由三台涡扇发动机组成新的推进系数, 一台位于飞机主体上方,两台安装在两个机翼下。攻关的重点是解决音爆噪音和起飞噪音问题。除此之外,还有造型独特的三角型N+3超声速客机也开始了预先研究和设计。

Spike公司设计的S-512超声速公务机采用无窗设计,载客量为18人。飞机全长约40米,翼展约18米,最大载重约2700千克,最大飞行距离7400千米,最高速度可达2200千米/时。采用2台JT8D发动机,单台推力可达约8600千克,单机推力8.6吨。新版S-512使用全新的Delta三角机翼取代了传统的机翼设计。

博姆技术公司研制的AS2超声速客机,计划载客12人,最大巡航速度马赫数1.4,预计于2023年投入使用。该公司将与洛马公司合作完成AS2超声速商用飞机的概念设计阶段。AS2采用薄机翼设计,可以将整体阻力减少20%,目前已经测试了该机翼2马赫的可行性。通用航空公司将参与研制AS2的发动机部分,选用一款成熟的涡扇发动机。此外,博姆技术公司还透露,将XB-1验证机作为其计划2023年投入市场的55座级三发超声速客机的探路者。该机采用碳钎维材料,通过计算机模拟优化飞机的设计, 目前已得到英国维珍集团公司和5家航空公司的支持,获得76架订单。

俄罗斯的图波列夫公司正在以图-160战略轰炸机为平台开发设计25座的超声速喷气公务机,该机最高速度1.8~2.0马赫, 最大航程7500千米,设置30个普通座或14个商务座。该机采用有鸭式和可变翼两种设计方案,两台发动机的单台推力15吨, 预计2024年试飞的验证机用无加力NK-32涡扇发动机,2027年试飞的原型机用全新的发动机。

经济型超声速客机的重新规划

美国于1990年启动高速民用机运输计划(HSCT), 欧洲于1994年4月启动欧洲超声速研究计划(ESRP), 日本于2002年启动“次世代超声速客机”计划。这几家公司都是研制载客250~320人的经济型超声速客机, 但都因与第一代超声速客机退役类似的原因而中止计划。

目前一些国家已经开始对经济型超声速客机重新进行规划。为此提出我们的建议。第一要把可靠、安全和经济放在最重要位置。因此,需要研制载客在300人左右,经济舱票价最好不超过现有票价的30%,能飞往世界各个机场的经济性超声速客机。这种高速飞机马赫数需要在2左右,巡航高度在20千米或更高。第二要解决好音障噪音问题,这与机鼻、机身、机翼、尾翼、排气等设计有关。第三, 节省燃油、增加航程和提高经济性。巡航马赫数选择1.4~1.8是在现有航空涡扇发动机技术基础上可达到省油。巡航马赫数选择1.8~2.2是用自主创新的涡扇发动机技术可达到省油。随着飞行高度增加,气源系统必须确保机组人员和乘客的呼吸供氧,并要有备用气源。第四,采用新技术和新材料势在必行。用已成熟的闭路电视新技术,可使机鼻为简单可靠的固定式, 可缩小乃至取消驾驶舱的风档,可取消座舱的众多窗户,以减小飞行阻力和增加飞机结构强度。尽量釆用圆柱形机身,也能提高机身结构强度。采用碳纤维、钛合金等新材料,可使飞机减重和提高耐热性。

超声速客机适用发动机的优化和创新

超声速客机要用优化设计,推力可采用大些、可使飞机爬升加快和增加飞行高度的发动机。采用涵道比取1或接近1的加力型低涵道比涡扇发动机,既可以降低起飞噪音使加力推力增量大,又有利于增加音爆和巡航的高度以及缩短飞过跨声速区的时间。尽管加力燃烧室的耗油率是主燃烧室耗油率的二三倍或更多些,但提高巡航高度后的空气流量小,油耗的绝对值并不太大。

现有加力型涡扇发动机是用空气对加力燃烧室壁进行内冷却,使得加力燃烧不充分。在高空严重缺氧的环境下,还有部分空气不能利用来燃烧。为此需要一种新型涡扇发动机,即“四种航空航天涡扇发动机”之一,刚获美国专利授权通知,有中国专利的优先权,它是把火箭推力室的再生冷却、声腔、隔板、收敛扩散喷管等技术用在加力燃烧室上。由此可以完全取消或大量减少加力燃烧室壁的内冷却空气,使得加力燃烧能充分进行,加力推力增量更大,能进一步提高巡航高度。



编辑:jessica   

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