遲到4年終亮相,被NASA寄予厚望的X-59如何克服超聲速飛行的現有問題?

看航空 2024-02-08 15:20:34

1月12日,美國國家航空航天局(NASA)和洛馬公司在其位于美國加利福尼亞州帕姆代爾的“臭鼬”工廠首次正式向外界展示了X-59超聲速驗證機。

X-59。

根據NASA和洛馬的計劃,X-59將于2024年實現首飛。一些分析人士認爲,未來超聲速客機能否重現市場,在極大程度上取決于X-59的首飛和測試工作。

X-59正面照。

在亮相儀式上,X-59銀白色的塗裝閃閃發亮,NASA與洛馬對其大加褒揚,儀式在多個網絡平台進行了現場直播。

直播截圖。

NASA副局長帕姆·梅爾羅伊 (Pam Melroy)表示:“X-59有望幫助人們改變出行方式,使得我們能在更短的時間內緊密聯系在一起。”

01因技術複雜,首飛一拖再拖

X-59首飛概念圖。

根據美國軍事媒體“戰區”的介紹,X-59項目于2016年由NASA立項,旨在研發一款低噪聲的超聲速驗證機。NASA原計劃在2020年完成X-59的首飛,但是研發進度一再拖延,首飛時間從原先計劃的2020年延後至2023年。而最近NASA表示,將在2024晚些時候實現X-59的首飛,更爲具體的時間仍未確定。

除了新冠肺炎疫情等不可控因素外,NASA表示,研制節點的變更是因爲在首飛之前,其研發團隊必須解決在2023年發現的X-59上的一系列複雜技術難題。

美國航空國際新聞在線(AIN Online)曾在2023年10月報道稱,控制X-59飛機系統安全冗余的計算機會出現“間歇性”故障。文章還提到,“工程師需更多時間,來將衆多子系統完全集成到飛機中,並確保這些子系統按預期工作”。

X-59尾部結構。

根據NASA的公開信息,2023年上半年,X-59研發團隊完成了飛機尾部結構的優化,將飛機從裝配線轉移至飛行線(flight line,是指機庫和跑道之間的空間)進行地面測試,並爲首飛進行准備。

隨後,這架X-59測試機于2023年11月中旬被轉移至臭鼬工廠的噴漆室內“穿上”了新塗裝,也就是此次亮相時的銀白色塗裝。

NASA表示,X-59將在首飛前進行“集成系統測試、發動機運行和滑行測試”,首飛和其他測試工作仍將在臭鼬工廠的廠區內完成。

之後,X-59將被轉移至NASA阿姆斯特朗飛行研究中心,該中心位于美國加利福尼亞州愛德華茲空軍基地內。NASA認爲,對X-59來說,首飛只是其三階段測試中的第一階段,等X-59轉移到阿姆斯特朗飛行研究中心後,真正的測試工作才會開啓。

02爲克服聲爆,測試分三個階段

“協和”號飛機。

NASA認爲X-59獨特的設計有望降低超聲速飛行時産生的巨大噪聲——這是此前“協和”號飛機的固有問題之一。“協和”號曾因在試飛時産生巨大聲爆,甚至將地面民居的玻璃窗震碎,遭到美國聯邦航空管理局(FAA)頒布針對性的法規,禁止航空器在美國陸地上空開展商業超聲速飛行。

1973年以來,即便是軍機,想要在美國陸地上空進行超聲速飛機,都受到嚴格限制。而全球很多國家也同樣對超聲速飛行有著嚴格的限制。

顯然,如果X-59能夠成功克服超聲速飛行的這一弊病,將帶領超聲速飛機進入一個全新的發展階段。

機庫中的X-59。

根據NASA的計劃,X-59進入阿姆斯特朗飛行研究中心後將開展第二階段的測試工作,包括在愛德華茲空軍基地上空的超聲速測試場進行飛行測試。在這一階段,NASA希望X-59能實現以馬赫數1.4的速度美國在陸地上空飛行。

第三階段則被稱爲“社區反饋”研究階段:X-59將在美國多個地點進行試飛,然後向空域下方的居民社區征求反饋意見。

據“戰區”報道,第三階段的反饋可能將通過向居民手機發送短信來完成。在X-59試飛空域附近的居民可能會受到NASA發送的聲爆噪聲預警,NASA甚至可能會向居民發送“虛假警報”,以幫助居民分辨“誤報”以及其他異常聲響。

第三階段的測試預計將在2025-2026年開展,但目標社區尚未確定。根據NASA此前透露的信息,可能會挑選4-6個城市參與測試。

飛行中的X-59概念圖。

X-59呈錐體狀的超長機頭,長度達到30.38米,占整個驗證機長度的三分之一。據NASA的信息,這種特殊設計的機頭可以消散超聲速飛行産生的激波,這些激波是産生聲爆的主要原因。但超長機頭也導致X-59飛行員無法在駕駛艙內直接獲得前方視野,因此機上裝備了特殊研發的外部視覺系統來輔助飛行員駕駛。

X-59采用了與F/A-18E/F相同的F141-GE-100發動機,安裝在飛機尾部上方。這樣設計的目的是確保飛機底部光滑,同樣是爲了減少飛行中産生的激波,並避免激波在機身尾部産生多余的聲爆。

當然,X-59也采用了許多成熟技術,例如,與T-38教練機相同的飛行員座椅、與F-16相同的起落架等,生命支持系統則由F-15使用的系統改裝而來,等等。

03技術與市場依然有障礙

洛馬公布的X-59概念圖。

如果X-59能夠實現理想狀態的低噪聲超聲速飛行,那麽這樣的技術顯然可能應用在商用超聲速飛機上。正如NASA曾多次表示的,X-59項目的目的正是爲超聲速商業飛機積累技術經驗。

在跑道上滑行的X-59。

但也有一些不同的聲音。前《航空周刊》記者和航空産業觀察家比爾·斯威特曼(Bill Sweetman)曾表示,對X-59可能出現的APSE(航空/推進/伺服/彈性)效應表示擔憂。

APSE效應是指飛機機身結構、推進系統和飛行控制系統之間存在潛在沖突的先行。如美國上一代超聲速運輸機項目(SST)就遭遇APSE效應,以至于最後失敗。因爲X-59目前還不是一架全尺寸的驗證機,要想徹底解決APSE效應,必須以全尺寸飛機進行相關試飛和試驗工作。

跑道上滑行測試的XB-1。

當然,除了技術難題之外,X-59能否引領超聲速客機回歸也取決于經濟和成本方面的問題。如其他所有的新研民航型號一樣,超聲速飛機也會遭遇環保壓力,當現有的民用飛機紛紛向可持續航空模式轉型時,如果最新的超聲速飛機不能與時俱進,那麽未來是否能在市場上站穩腳步肯定是未知數。

此外,目前除了X-59之外,超聲速飛機研發這條賽道也有很多其他“參與者”,例如,Boom Supersonic的XB-1已獲FAA頒發的試驗性適航證書,不過XB-1也不是全尺寸飛機,其試飛試驗工作依然漫長。此外專注超聲速公務機的Spike Aerospace也在研發中,其超聲速公務機的速度計劃將達到馬赫數1.6,等等。

這些商業公司的技術積累也許不如NASA深厚,但是他們在把握市場和捕捉用戶痛點方面更勝一籌,是NASA值得關注的競爭對手。

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