再续前缘,SSBJ,超声速民机接班人？

计划（S3TD），以及美国Aerion集团提出的“超声速公务机”方案（SSBJ）。

QSST采用大后掠角三角翼鸭式气动布局。鸭翼靠前，飞行时，大力矩带来正升力配平，显著减小了主翼面载荷。缺点也明显，因为机翼后掠角大，翼展较小，诱导阻力增大，导致亚声速飞行时升阻比降低；无法安排足够长的后缘襟翼，使飞机起降时难以获得足量额外升力。特别是在降落时，飞行员需增大机身迎角把飞机速度降下来，操作难度不小。飞机滑跑距离也比较长，无法用于中小机场。

S3TD采用了双后掠角箭形机翼常规气动布局。机翼内段前缘被设计成大后掠角，而且机翼后缘也后掠，超声速飞行时激波阻力最小；机翼外段设计成小后掠角，以增加机翼展弦比，并设计了翼梢小翼，以降低诱导阻力。S3TD采用正常布局，超声速巡航时，平尾带来负升力配平，无形之中增加主翼面载荷，导致其声爆强度高于鸭式布局。箭形机翼展弦比大，为了满足强度和刚度要求，要付出增大机身结构重量的代价。

SSBJ采用了小展弦比梯形翼机翼正常式气动布局。其优点是亚声速气动效率较好，诱导阻力较小；可布置足够展长的后缘襟翼，提升飞机起降性能。缺点是其梯形机翼可使机翼横截面积突然增加，既不利于减小超声速激波阻力，也不利于减小声爆强度。另外，小展弦比的梯形翼结构效率一般，仅比S3TD的机翼布局稍强。

如果这么比下去，在3种方案中，SSBJ看似是最差的。但是，就目前的研发进展来看，SSBJ已经投入25～30亿美元研制经费，投入规模最大，研制进度最快，很有可能成为世界上第一种投入运营的超声速公务机。而且SSBJ已经取得了50架意向订单，总金额高达40亿美元，成绩不俗。SSBJ反败为胜，有何奥秘？原来，Aerion集团独辟蹊径，和NASA德莱顿飞行研究中心展开合作，采用超声速自然层流翼型技术，大幅降低了SSBJ的超声速巡航阻力，全尺寸流体试验显示总阻力降低20%，使其超声速巡航升阻比提高到11以上（其他两个方案同数值都在9左右）。此外，SSBJ还采用了跨声速声爆消减技术，使得其低声爆性能在3种方案中名列第一。（其原理详见本刊2014年第9期《图解超级声爆》）

NASA大帮忙

研究表明，无论是在亚声速还是超声速巡航状态，摩擦阻力都在飞机所受到的总阻力中占有很大的比例。在超声速巡航状态下，摩擦阻力可占到总阻力的40%以上。因此，减少摩阻对改善民机性能和降低成本具有重要意义。

根据实验，粘性流体存在着两种流态，即层流和湍流。附面层的流动也因此有层流附面层和湍流附面层之分。附面层气流从机翼前缘开始，先形成层流附面层，逐渐累积超过一定极限时，就开始出现不稳定状态，并逐渐过渡为湍流附面层。通俗一点说，湍流附面层更粘，更乱，飞行时产生的摩擦阻力更大。因此扩大飞机表面的层流附面层区域，甚至实现全层流流动，是减小摩擦阻力最重要途径。

显然，在飞机超声速飞行时，把气流附面层产生的极高阻力降下来，绝非易事。SSBJ之所以敢为天下先，采用超声速自然层流翼型，要得益于NASA强大的技术储备。NASA相关研究早在1959年就已经展开，其试验机平台是当时美国飞得最快的战斗机F-104。NASA发现，在特定飞行条件下，在F-104的主翼下表面会形成一个层流附面层产生的三角区，其最大长度为机翼弦长的60%。

NASA真正参与到SSBJ项目的时间是1999年。NASA德莱顿飞行研究中心和Aerion集团合作，将一个三分之一缩比、翼展3英尺（约0.91米）的SSBJ试验机翼（迎角可调）安装到836号F-15B试验机的机腹挂架上。在F-15B机翼下方，同时安装一台中波红外照相机，以便对试验机翼进行拍照。在相同条件下，由于层流摩擦阻力远远低于湍流摩擦阻力，层流附面层的气动加热也显著低于后者。所以，在红外照相机镜头下，试验机翼前缘气流滞止区和湍流附面层区域气动加热明显，温度高，显示为亮色区，而层流附面层区域则相反，显示为深色区。因此，科学家可以通过这台中波红外照相机拍下的图像，方便地观察试验机翼表面层流向湍流的转折过程。例如，在飞行马赫数1.8、试验机翼的飞行迎角为1度时，红外照片显示，在试验机翼80%的区域内产生了层流附面层。不过，由于试验机翼面积较小，而且不免受到F-15B机腹附近复杂流场的干扰，实验结果与计算机模拟结果相比，精度误差较大。

为了取得更为精确的试验数据，2010年NASA将一个接近1：1的自然层流翼型机翼试验段安装到同一架F-15B上，重新进行超声速飞行试验。新的机翼试验段，其弦长达到80英寸（约2.03米），宽度为40英寸（约1.02米），完全可以模拟真实流场下的飞行。2011年， F-15B完成了一系列飞行试验，试验精度大幅提高，其结果显示，在全尺寸机翼试验段上，层流附面层的覆盖区域从50%拓展到了100%；但层流向湍流转折的延迟程度，取决于不同的飞行条件。

利用实验结果，SSBJ率先采用超声速自然层流翼型技术，把翼型相对厚度减小，以至于机翼容积被压缩到没有空间布置机翼油箱；机翼翼型前缘非常尖削，最大厚度处非常靠后，使得层流附面层对机翼产生的压力呈梯次递减，非常顺畅，产生湍流附面层的时间大幅延后。同时，SSBJ采用了小后掠角小展弦比梯形机翼，减少机身横向气流造成的附面层堆积，扩大了机翼层流范围；通过改进制造工艺，保证机翼表面的超高光洁度，让机翼表面超过90%的面积实现层流流动。也就是说，层流附面层成分为主，流动通畅，不会轻易形成湍流附面层及其所造成的沉重“包袱”。

为了扩大机翼的层流附面层范围，SSBJ的机翼的数项关键设计参数做出重大调整，首先是机翼的平面形状，在边条翼和主机翼结合处增加了缺口设计；其次是对边条翼和主机翼结合处的机翼进行了扭转处理，尖削的翼型前缘向下扭转，以扩大边条翼结合处的层流附面层范围。扭转设计更重要的作用是，使厚前缘/大后掠角的边条翼前缘所拖出的上洗涡流沿着尖削前缘/小后掠角的主翼前缘流动，而非冲击主翼上翼面，从而避免破坏经过主翼上翼面的层流附面层。

相比之下，QSST由于没有采用层流翼型技术，在机翼前缘附近就出现湍流附面层，使得其机翼表面仅实现10%的层流流动。而S3TD方案考虑到了机翼层流控制问题，在机翼前部加速区尽量减小横流区的范围，来抑制横流所产生的不稳定性，在机翼中部则尽量保持附面层压力梯度，以抑制流向不稳定性，两者结合，使机翼表面实现40%的层流流动，但减阻效果仍然远逊于SSBJ。

除了超声速自然层流翼型本身的设计之外，SSBJ的机身、发动机短舱、翼身融合体的细节设计同样可以影响层流附面层的范围大小，因此必须进行优化设计。

为了扩大机翼的层流附面层范围，SSBJ的翼身融合体气动外形进行了特殊优化设计，机身截面积轴向呈现独特的波浪状曲线，使机翼上、下表面的等压线沿机翼展向呈线性分布，也就是平行于机翼前缘，从而进一步减小横流不稳定性，减小超声速摩擦阻力。

研究人员发现，机身横截面本身的设计对于扩大机翼的层流附面层范围影响巨大。为了满足超声速面积律的设计要求，减小激波阻力，SSBJ在机翼上方机身主体必须设计成狭长的“收缩-扩张”形态，以应对机身截面积在小后掠角梯形机翼站位处的突变。而为了扩大机翼的层流附面层范围，减小摩擦阻力，机翼下方的机身则必须反其道而行之，设计成“扩张-收缩”形态。技术人员对两种互相冲突的设计要求进行了折中处理，最终做到飞机在马赫数1.5巡航时，所受到的总阻力最小。

飞机重量越小，声爆强度就越低；飞机长细比越大，声爆强度越低。SSBJ的最大起飞重量只有40 823千克，重量只有波音737-800的一半，其机身长度达到40.5米，比机身长 39.5 米的波音737-800还要长，而其机身横截面则要远远小于波音737。因此，瘦长苗条的SSBJ有利于减小声爆强度。

超声速民机接班人？

飞行高度越高，声爆强度越低；飞行马赫数越小，声爆强度越低。SSBJ的巡航高度为15 545 米，高于目前多数公务机的使用升限。相对于其他两种方案（巡航速度定为马赫数2.0），SSBJ超声速巡航定为马赫数1.6之下，思路非常现实。

SSBJ以马赫数1.5进行超声速巡航时，具有4200海里（约7 778千米）航程，从纽约到巴黎只需4小时14分。比起乘坐湾流公司飞行速度最快的G650（马赫数0.9），SSBJ飞跃大西洋的时间可节省2小时47分钟。而SSBJ从纽约至东京可在9小时33分内到达，其中还包括在安克雷奇停留一小时进行加油的时间，即使如此，也要比乘坐G650以马赫数0.87（中间无落地停留）飞行同样里程的时间快两个多小时。时间，对于那些如同空中飞人般的商务人士，才真的是金钱。

即使同其他两种超声速公务机相比，SSBJ的性能优势同样明显。QSST和S3TD都将巡航速度设定在马赫数2.0，看似巡航速度超过SSBJ，但是其使用灵活性远逊于SSBJ，更不要谈运营成本了。SSBJ的最大特点就是设定了3档经济巡航速度，分别是：高亚声速巡航——马赫数0.95，最省油，航程可达4600海里（约8 519千米）；跨声速声爆消减巡航——马赫数1.1～1.2，无声爆，但耗油率最高，航程3600海里（约6 667千米）；超声速巡航——马赫数1.5，低声爆，耗油率居中，航程达4200海里。这样，SSBJ在美国大陆上空可选用高亚声速巡航，提高航程；而在海洋无人区上空可选用马赫数1.5超声速巡航，提高速度；而在美国之外的发达国家上空可选用跨声速声爆消减巡航，保持超声速飞行。这样一来，即使在大陆上空，QSST和S3TD由于没有消减声爆的技术，只能进行亚声速飞行，不仅巡航效率大幅降低，而且飞行速度反而要慢于进行超声速飞行的SSBJ。

SSBJ具备较强的性能优势，但是运营成本却十分低廉，其每海里运营成本甚至于还要低于某些亚声速公务机，可算物美价廉。SSBJ有没有可能成为“协和”的第一个接班人？时间会给出答案。

责任编辑：吴佩新

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