烽火问鼎计划 美国“轰鸣超音速”(Boom Technology) 宣布XB-1技术验证机的超音速飞行未产生可听见音爆。XB-1成功展示「无音爆巡航(Boomless Cruise)」技术,在超音速飞行过程中,音爆未传至地面。这项测试验证了【注】“音速临界”(Mach cut-off)理论,即音爆会在大气层中折射,无法抵达地面。
Boom Supersonic表示,在无音爆巡航状态下,他们的”序曲“(Overture)商业超音速客机飞行速度比传统客机快40~50%。这表示纽约—洛杉矶航程最多可缩短90分钟。
与X-59验证的「低音爆」设计不同,无音爆巡航不需要特别的机身造型,而是透过适当的高度与速度,使音爆在高空折射消散。
借助“音速临界”(Mach cut-off)效应,Overture的先进自动驾驶系统会根据即时大气条件不断调整速度,以最佳化无音爆巡航,其中包括对音爆进行引导,即使其通过低处的较厚空气层进行折射。只要折射次数够多,音爆最终会被反射出去,无法到达地面。无音爆巡航最高可在1.3马赫进行,典型巡航速度则介于1.1~1.2马赫之间。航空工程师们相信,可以据此对音爆消音。给自动巡航系统提供足够全面的大气信息,就可以让飞机以“音速临界”最大化的路径自动飞行。
Overture客机将配备专门设计的Symphony发动机,具备强化的跨音速性能,确保飞机能够在接近10公里以上的高空平稳转换至超音速飞行。同时,该机型的智能自动驾驶系统亦能根据即时天气条件动态调整速度,以保持最佳的无音爆巡航状态。
然而,目前美国联邦航空总署(FAA)14 CFR 91.817法规仍禁止所有民用飞机在陆地上空进行超音速飞行,无论音爆是否传至地面。 Boom Supersonic正推动法规修改,以允许无音爆巡航,并建立低音爆飞机的认证机制。该公司强调,更新法规将促进创新,提升美国在航空领域的竞争力,并增强国家安全。
不过,Boom Supersonic也承认,首架Overture并非低音爆设计,他们并不预期Overture能够获得在陆地上空无限制超音速飞行的认证。但其无音爆巡航技术已证实可行,未来将继续推动法规变革,让商业超音速旅行成为现实。
但是Boom Supersonic所依赖的Mach cutoff现象,仅在特定的高度和速度下才能发挥作用,而这意味着商业航班运行的自由度会受到相当大的限制。再者,现有的航班飞行高度和速度限制,并非仅仅是因为音爆声,还涉及到飞行安全、空中交通管制等多重考量。即便技术进步了,这些问题依然存在。
而且,经济上是否可持续也是一个疑问。可以参考20世纪70年代协和式飞机的经历,虽然技术上领先,但运营成本高昂,最终还是不得不退出市场。虽然Boom Supersonic宣称其机票价格只有协和的四分之一,但是目前客机还未下线服役,一切还未可知。
【注】「音速临界」物理机制
「音速临界」的关键机制是大气中的声速梯度,这主要由温度变化造成:
★ 音爆波的传播:
◆ 超音速飞机在飞行时会产生音爆波束,其传播方向会受到大气条件影响。
◆ 在标准大气环境下,随着高度下降,温度通常上升,导致声速增加。
★ 折射与完全折射:
◆ 由于温度升高导致声速增加,音爆波束在传播过程中会发生向上折射,使其无法到达地面。
◆ 当音爆波束到达某一高度(截止高度)时,所有音爆波束均被完全折射回上层大气,导致地面无法接收到直接传播的音爆声波。
★ 倏逝波的形成:
◆ 在临界高度以下的阴影区(shadow zone),由于音爆波束无法透射进入,声波无法以正常方式传播。
◆ 然而,因为声波在此区域仍有部分能量,这些波的场强度并不会瞬间变为零,而是形成倏逝波场(evanescent wave field)。
◆ 倏逝波是一种指数衰减的非传播性波动,其振幅随着距离呈指数递减,因此在足够远的距离后,影响可忽略不计。