现在的民航客机，巡航高度在10公里左右，巡航时速在公里(马赫数0.85)左右。洲际飞行时间通常为8至13小时，乘客疲惫。对于各国领导人、企业家和职场精英，时间格外宝贵。人们盼望继高铁之后能坐上高飞。考虑到飞机起飞和降落的速度较低，以超音速客机为标志的高飞需将巡航马赫数提高到2左右，提高到3、4乃至5以上的高超音速也是可能的。超音速客机实际上早已出现。前苏联研制的图-超音速客机于年12月服役，年退役。法英联合研制的协和超音速客机于年1月首次投入商业运营，年退役。本文对第一代超音速客机能够服役9至27年以及退役的原因进行分析。第一代超音速客机退役后，超音速客机的研究工作并未停止。近年来，各国又重新对超音速客机进行规划和研制。本文对这种技术发展进行汇总，并提出我们的意见。1.飞机要快必须飞得高飞机在大气中飞行，气流作用为飞机提供升力的同时也带来阻力。一般而言，飞得越快的升力和阻力都越大。升力=升力系数动压机翼表面积阻力=阻力系数动压飞机表面积其中动压=0.5大气密度飞行速度平方由于马赫数=飞行速度/音速所以动压=0.5大气密度音速平方马赫数平方升阻比=升力/阻力从以上公式可以看出，要提高飞行速度和马赫数，又不使动压和相应的阻力过大，必须大幅度降低大气密度。大气密度是随着飞行高度增加而降低，因而要大幅度增加飞行高度。所以说，飞机要想飞得快，必须飞得高。第一代超音速客机的巡航马赫数从普通客机的0.85提高到2.02至2.28，相应的巡航高度由10公里提高到15公里至16.9公里就是这个道理。查国际标准大气表，对应于巡航高度10，15和16.9公里的大气密度为0.，0.和0.kgs2/m4，音速为，和m/s。对于马赫数0.85，2.02和2.28，由动压公式算出的动压分别为，和kg/m2。该数据表明，第一代超音速客机的飞行高度尽管有了较多提高，但动压仍然是普通客机的2.38至2.43倍。我们认为，动压大就是飞机阻力大和耗油量大增的主要原因。由此说明飞行高度还很不够。如果超音速客机能在20公里高度以2马赫巡航，算出的动压为kg/m2，高出17.5%尚可。超音速客机如在30公里高度以4马赫巡航，算出的动压为kg/m2，低2.1%更好。美国正在研制的X-59超音速演示飞机，是在16.8公里高度以1.42马赫巡航，算出的动压为Kg/m2，也低3.2%很好。航空发动机是以含有部分氧气的空气作为氧化剂，进入发动机的空气流量公式为空气流量=9.进气道入口流通面积大气密度飞行速度该式表明，尽管飞行速度的增大会增加空气流量，但巡航高度增大的大气密度减少更多，使得超音速客机巡航的空气流量显著减小。从进气道进入的空气在发动机的主燃烧室与少量航空煤油进行富氧燃烧后，产生的推力就远小于需要克服的飞行阻力。因此，第一代超音速客机为了提升巡航高度已经向军用飞机看齐，使用了加力燃烧室来较多增加推力。还要进一步提升飞行高度，就需要精心设计和想办法进行发动机创新，使得高空推力足够大。2.第一代超音速客机的评述＂协和＂超音速客机图-超音速客机协和超音速客机和图-超音速客机的外形、结构和主要参数相近，开始服役时间只相差一个多月。此类第一代超音速客机主要有以下特点：(1)协和是年1月服役，载客人，巡航马赫数2.02，巡航高度15公里，航程公里，只飞巴黎和伦敦分别与纽约之间的大西洋航线，服役27年运载旅客超过万人次。图-是年12月服役，载客人，巡航马赫数2.28，巡航高度16.9公里，航程公里，只飞莫斯科与远东城市之间的国内航线，服役将近9年。由于普通客机的巡航马赫数在0.85左右，显然这两种超音速客机飞得快多了。总的来看，第一代超音速客机还算比较成功。(2)从飞机使用的角度，协和比图-好。但是，从飞机性能和参数来看，图-比协和好，飞得更高更快更远些，载客还多30人。从发动机角度，协和用的是老式的加力型涡喷发动机，不但耗油率高，而且起飞时的噪音高达.5分貝。图-用的是当时较好的HK-涡扇发动机，耗油率和起飞噪音都低些。(3)三角形机翼和较流线的机身，突破音障和减少激波损失用的尖机鼻能下垂5至12度以增加驾驶员视野，机身在摩擦生热后能自动变长，乘客的呼吸供氧保证，还有舒适的座椅等，这些设计和设置都适应超音速飞行的需要。(4)各发生一次机毁人亡的事故。0年7月25日，一架协和客机起飞时，在跑道上碾过了由前面另一型号客机脱落的小铁条，造成爆胎和轮胎碎片高速击中机翼内的油箱，引发失火。飞机起飞后数分钟爆炸，坠毁在机场附近的旅馆建筑上，共造成人死亡。另一起事故发生在服役前的年6月3日，一架图-客机在巴黎航空博览会上进行飞行表演时，迎面突遇违规的法国航拍飞机，紧急转弯避让造成油管切断，失速俯冲，机翼折断，机身翻转和解体坠毁。结果使得包括主任设计师在内的机上6人和地面8人死亡。虽然都是外界原因造成的意外事故，但产生了坏影响。(5)图-超音速客机先于年退役，协和超音速客机后于年退役。退役的主要原因是技术不足和经营亏损。音障产生的噪音大，使得美国不允许它飞过其大陆上空，限制了广泛应用。这两种飞机仅各生产了十多架，制造成本高。飞行耗油量大增，机票价格昂贵。协和发生事故后的上座率明显下降，航线经营亏损，造成停产、停飞和退役。3.超音速客机的主要技术难点第一代超音速客机已经退役16至35年，至今未见能投入商用的第二代超音速客机，主要由于超音速客机存在着亚音速客机所没有的激波和音障问题，尚未圆满解决。飞机飞行时会对前方的空气进行压缩，形成的压力波(扰动波)是以音速传播。在0.8至1.2马赫的跨音速阶段，如果压力波的传播速度等于或小于飞机的飞行速度，导致后续时间的压力波就会和已有的压力波叠加在一起，空气遭到强烈的压缩，从而形成通常为弓形的激波或圆锥角大的圆锥形激波。该激波使得飞机的阻力系数峰值会比0.8马赫以下时大四倍，这就是音障。超音速飞机突破音障既需要强大的发动机推力，又伴随着产生很大的噪音，甚至会对机体结构造成损害。在超过1.2马赫后，随着马赫数增大的圆锥形激波锥角越来越小，飞机阻力系数反而逐步下降，大约只比亚音速阶段高30%至50%。音障的噪音问题是美国拒绝协和超音速客机飞过其大陆上空的理由。因此超音速客机设计要充分考虑音障问题，要把音障传到地面的噪音尽量减少，并力求降低飞机的阻力系数。超音速客机设计成流线型和设置尖机鼻，就是为了避免在跨音速阶段形成波阻极大的正激波。其次是超音速飞行时机翼产生升力的效率会比亚音速时低，同时机翼也会成为阻力的来源。以协和超音速客机为例，其超音速巡航的升阻比只有7.7，亚音速时的升阻比12.8。波音等亚音速客机的升阻比则高达17。此机翼升力效率问题，尤其是如前所述飞得不够高而引起的动压和阻力大问题，使得耗油量大增，很不经济并严重影响飞机的航程。另外，超音速客机的研制是一个高科技的系统工程，牵扯面广，难度大。4.发动机是关鍵要先行亚音速客机所用的高涵道比涡扇发动机具有安全、可靠、耗油率低、起飞噪音小等优点，但不适用于超音速客机飞过跨音速区和进行超音速飞行。军用飞机所用的加力型低涵道比涡扇发动机适用于飞过跨音速区和进行超音速飞行，但耗油率和起飞噪音较大。目前，超音速客机所用的发动机主要参照这两类涡扇发动机进行优化设计和研制。年巴黎航展中，法国宣布推出法日两国联合研制的一种零排放超音速客机(ZEHST)概念机，以4马赫巡航，用的是组合发动机：用3台氢燃料涡喷发动机推送到5公里高度达到0.8马赫，用2台氢氧火箭发动机和1台小火箭发动机推送到20公里高度达到2.5马赫，最后用2台使用氢的冲压发动机使飞机升至32公里高度达到4马赫。把航空发动机和火箭发动机组合使用，是航空航天相结合的形式之一，应当肯定。缺点是一架飞机用三种发动机有点多，用自带氧化剂的火箭发动机工作较长时间不经济。有三种已经开始使用的飞行器及其发动机也是航空航天相结合的有益形式。美国的巨型双机身飞机，在机翼中间悬挂吨火箭，运到9公里高度分离发射，卫星质量达6.1吨。英国的大型双机身飞机，在机翼中间悬挂载有2名飞行员和6名普通乘客的太空船，运到15公里高度分离发射，可飞到公里高度以上进行俯瞰地球和体验数分钟失重的太空旅游。英国还用改装的波音飞机发射火箭。还有一种合成涡喷火箭发动机(SABRE)，是使用氢的涡喷发动机与氢氧火箭发动机合为一体，可使飞机达到5马赫以上的髙超音速。这种航空航天一体化的发动机是用液氢对空气进行深冷提高密度后，以高的压力把深冷空气输入燃烧室与氢进行燃烧。当飞到26公里高度时进行切换，把液氧输入同一燃烧室与氢进行燃烧。该发动机由英国ReactionEngines公司负责研发，己经研究二、三十年，只是最近四年获得超过1.3亿英磅(约合11.7亿人民币)资金，加快了研制进度，有望突破。英国A2高超音速客机所用独特的一种新型合成涡喷冲压发动机，也是虽先进，但难研制。总之，超音速客机与发动机密切相关，发动机技术是关键。研制超音速客机的适用发动机需要多年的研制周期和较多的资金投入，必须先行。5.超音速公务机(SSBJ)三家美国公司正在竞相成为第一个将新型超音速客机推向市场的公司。洛克希德马丁公司于年上半年赢得了NASA(美国航空航天局)的一项价值2.48亿美元的合同，建造一架超音速演示飞机。它被称为X-59QueSST(安静的超音速技术)，将以1.42马赫在16.8公里高度飞行，产生的声音类似于车门关闭一样大小。X-59长28.7米，翼展9米，装备一台F-GE-涡扇发动机。计划于年底建造完成。年，NASA将开始在美国各城市进行测试和收集人们的意见。X-59有助于开启商用超音速飞机飞越各国陆地的一个新时代。X-59超音速演示飞机洛克希德马丁公司还推出N+2商用超音速飞机，可搭载80名乘客，时速最高可达公里(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障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超音速客机也开始预先研究和设计。N+2商用超音速飞机Spike公司设计的S-超音速公务机是搭载18名乘客，飞行马赫数1.6。最高马赫数1.8，最大飞行距离7公里，单机造价至万美元。采用无窗设计，用显示屏取代窗户。使用全新的Delta三角机翼。飞越陆地不会对人们造成不适，降低音障噪音的关键在于飞机外型的设计。能够获得更好的空气动力效率，会有好的飞行表现，同时能够节省燃油。釆用2台JT8D涡扇发动机，单机推力8.6吨。S-超音速公务机Boom公司研制的AS2超音速商务客机，飞行马赫数1.4，可搭载12名乘客。希望于年投入使用，现已有30架定货。研制AS2将与洛克希德马丁公司合作飞机部分，有软件优化的空气动力学，用到碳纤维材料。没有采用三角翼，选择了薄机翼设计和水平稳定器，可以将整体阻力减少20%，已经测试了该机翼在2马赫的可行型。研制AS2将与通用航空公司合作发动机部分，选用一款成熟的涡扇发动机。AS2超音速商务客机Boom公司还计划建造XB-1超音速客机，是最多能搭载55名乘客的三角翼飞机，最高马赫数2.2，计划年首飞。采用碳纤维材料使飞机更轻。通过计算机模拟优化飞机的设计。得到英国维珍集团公司和五家航空公司的支持，已预定76架飞机。XB-1超音速客机三家公司都表示：他们的目标是让超音速旅行不会比今天的商务舱票价贵，至少贵不多。鉴于全世界现有商务舱乘客的总人数达到每年万，相当可观，预计超音速公务机市场前景良好。俄罗斯的图波列夫公司也研制超音速公务机，飞行马赫数1.8至2.0，最大航程公里，设置30个普通座或14个商务座。有鸭式和可变翼两种设计方案。鸭式方案类似于本世纪初提出的图-超音速公务机设计。可变翼方案像是图-轰炸机的缩小版。有采用激进的埋入式座舱设计，取消风档以降低阻力，而用闭路电视为飞行员提供前方视野。两台发动机的单台推力15吨。预计年试飞的验证机用无加力NK-32涡扇发动机，年试飞的原型机用全新的发动机。总投资折合人民币43亿元。俄罗斯超音速公务机的可变翼方案6.经济型超音速客机美国于年启动高速民用机运输计划(HSCT)，NASA联合波音公司和麦道公司，花费超过9年时间，投放超过10亿美元。设计载客至人，巡航速度为2倍音速。20世纪90年代中期曾借用图-超音速客机重新装上新发动机，为HSCT进行飞行试验以收集数据。年2月因收购麦道公司后的波音公司退出，取消了该计划。欧洲于年4月启动了欧洲超音速研究计划(ESRP)，由法英德联合研制第二代协和超音速客机，载客人，巡航马赫数2。完成初步设计，进行了小比例缩小模型的风洞试验。之后进展缓慢，不了了之。俄罗斯的图波列夫公司新构想：载客至人，巡航马赫数2.2，最大航程9公里。但没有太多实际进展。日本于2年启动次世代超音速客机计划，研制零排放超音速客机(ZEHST)。设计载客人，飞行马赫数2，比协和超音速客机节约75%燃料并增加一倍航程。但是缩比模型试验失败。5年6月，法日签署合作协议，将ZEHST项目扩展至两国合作。5年10月，日本在澳大利亚再次试飞1:10模型机成功。之后转为研制飞得更快的ZEHST。研制载客人数多的经济型超音速客机，面向大众的出发点是好的。现在全世界每年有40亿人次乘坐飞机，是个很厐大的巿场。随着高铁的普及，人们很盼望出现高飞，最终还是要以经济型超音速客机为主。据分析，以往四个经济型超音速客机计划中止或转型的原因：一是投资太大，技术问题的圆满解决不是短期能实现的；二是这种飞机研制成功投入使用必然产生矛盾，会冲击火热的亚音速客机制造业和航空市场；三是协合超音速客机产生机毁人亡的事故及退役的不利影响。有第一代超音速客机和现在研制的超音速公务机的基础，理想的经济型超音速客机一定会在不远的将来研制出来和得到广泛应用。7.飞得更快的超音速客机法日两国经过5年合作，在年巴黎航空展中推出ZEHST概念机。长约80米，翼展35至40米，载客50至人。最高巡航马赫数4，巴黎飞东京只需2.5小时。用氢燃料的涡喷、火箭、冲压等发动机组合推进。这种飞机预计年开始测试飞行。英国正与澳大利亚合作研发超音速太空飞机，可使飞机从静止状态达到5倍音速以上。这种航空航天一体化的飞机可有动力飞行到80公里高度，然后依靠惯性能飞过公里高度，进行快速旅行和太空旅游。使用的是英国ReactionEngines公司将要研发成功的合成涡喷火箭发动机(SABRE)，预计年实现试飞。英国超音速太空飞机英国还在年发布消息，已设计A2高超音速客机，长米，宽45米，航程7公里。可以搭载名乘客，在30.5公里高度以5马赫左右飞行。该飞机不设置窗户。采用环保的液氢弯嘴发动机(HydrogenScimitarEngine)，据了解这是独特的一种新型合成涡喷冲压发动机，使用液氢燃料。由于该飞机及其发动机的难度大，预计A2高超音速飞机在经过25年后才能投入使用。A2高超音速客机波音公司也认为客机有一天甚至可以飞到超过5马赫的高超音速，纽约飞上海仅需2小时。一种由幻影飞梭军用飞船(类似XS-1)改型而来的高超音速飞机，飞行高度29公里的飞行速度公里/小时(马赫数5.6)。起飞如同火箭，着陆则如同飞机一样，预计十年内能升空。如要飞得再快，那就得乘坐火箭。美国SpaceX公司设计的多用途猎鹰火箭BFR，主要用于太空旅游和地球运输，乘客80至人，从纽约到上海仅39分钟。8.对研制超音速客机的意见(1)研制超音速客机要以服务大众为主要目标，把可靠、安全和经济放在最重要位置。因此，需要研制载客人数在人左右，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音速客机。这种高速飞机的设计必须十分完善，能得到世界各国的欢迎，才能获取大量订单。其马赫数在2左右，巡航高度在20公里或更高。(2)研制超音速公务机要先行。由于乘客人数较少(12至80人)，飞机造价不是特别高，巿场前景又好，预计会获得较多订单。研制这种飞机，既能早些满足众多公务等人员的需要，又便于有效突破关键核心技术，为研制经济性超音速客机创造条件。(3)研制经济性超音速客机和超音速公务机，重点要解决好音障噪音问题，大大减小扰民影响和解除美国的相关禁令。这与机鼻、机身、机翼、尾翼、排气等设计有关。不使飞机飞过跨音速区的高度过低和时间过长，也可以缩小音障噪音传到地面的影响。(4)节省燃油、增加航程和提高经济性也很重要。飞机既要快又要省油，必须飞得高。多数超音速公务机选择比第一代超音速客机低的巡航马赫数1.4至1.8，是利用现有航空涡扇发动机可推进飞机到16.5至19.5公里高度，达到省油的目的。巡航马赫数选择1.8至2.2，则需要用轻质材料制作机身或者用新型涡扇发动机推进飞机，可使巡航高度达到19.5至22公里。随着飞行高度增加，飞机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。(5)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。(6)研制飞得更快的超音速客机，要用到航空和航天互相取长补短的航空航天相结合和一体化技术。同时，飞得越快，耗油越多，尤其是使用自带氧化剂的火箭发动机的推进剂消耗量很大，使得票价越来越贵。随着人们生活水平提高，太空旅游会成为热门。因此，研制超音速客机要注意考虑把太空旅游包纳进来。(7)研制零排放超音速客机(ZEHST)、超音速太空飞机等，是使用液氢燃料，既环保，又高能。但是，液氢的价格比航空煤油贵不少，密度只有水的十四分之一左右，且是沸点为零下.6摄氏度的低温燃料，不方便使用。在各国的机场加注液氢不大允许和不容易实现，需要专用机场。这种技术更适合太空旅游专用，以及发射卫星用或军用。9.超音速客机适用发动机的优化和自主创新(1)超音速客机要用优化设计的发动机。推力要取大些，可使飞机爬升加快和增加飞行高度。宜采用涵道比取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，又可以使加力推力增量大，利于增加巡航高度和音障高度并缩短飞过跨音速区的时间。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。(2)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，白白浪费掉，这是很不合理的。为此第一作者提出一种新型涡扇发动机，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。用煤油或液氢作为再生冷却剂流过的夹层式加力燃烧室壁，还可以保证发动机长时间加力工作。(3)还提出一类新的合成涡喷火箭发动机，名为四种航空航天涡扇发动机(刚获美国专利授权通知，包括前一种新型涡扇发动机在内，有中国专利.2的优先权)。可以向加力燃烧室乃至进气道喷注富氧气，使飞机飞到30公里高度上下和达到3至5马赫乃至高超音速。富氧气是催化分解70%至79%过氧化氢的产物。这种发动机是以现有的航空涡扇发动机为主体，比英国SABRE发动机的实现难度小得多，也比法日两国使用氢燃料的三种发动机组合简单得多。这种发动机的燃烧温度也比氢氧燃烧温度低一千摄氏度还多，不仅符合很多次重复使用的要求，而且是可贮存推进剂使用方便。(4)70%至79%过氧化氢是使用方便和价格较低的氧化剂，冰点零下40至零下25摄氏度，沸点至摄氏度，它与煤油或液氢的燃烧温度只有至摄氏度，与空气/煤油的最高燃烧温度摄氏度基本相当。已获中国专利四本证书的低燃烧温度火箭发动机虽然比冲性能较低，但重复使用次数有望达次以上，除适用于多次重复使用运载火箭外，较适合在超音速客机上短时间爬升用。结束语超音速客机是一项大的民生工程，又与超音速轰炸机、超音速无人机等军用机技术密切相关，还能转换用作发射卫星的飞机和水平起落运载火箭。研制成功超音速客机，代表了一个国家的工业水平、航空航天技术水平和国防科技水平。应加强领导，以航空科技部位为主，吸收航天、科学院、民航等部门和军方参加，充分论证，制定规划，分期实施，保证资金。要以我国发展高铁为榜样，充分吸收国外的先进技术，坚持自主创新，走自己的发展道路。要以经济型超音速客机为重点，早作规划和安排，适时开展预先研究和设计工作，与外国同步发展。先行研制超音速公务机是必要的，既能满足一大批公务等人员的需要，又可成为经济型超音速客机技术先行的缩比件。特别强调，有好的适用发动机，才能飞得更高更快，降低耗油率；才能减少音障噪音和起飞噪音。没有好的适用发动机，超音速客机很难成为倍受欢迎的高飞，很难后来居上。要先在发动机上投入和下大功夫，发动机的自主创新最有条件。有集中力量办大事的国家体制和坚强领导，有民营企业的介入，我国的高飞发展一定能取得令世界瞩目的成就，为新时代的中华民族伟大复兴再做贡献。让高飞来得更好更快些吧！
