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5马赫客机运营面临巨大挑战

发布日期:2017-01-30  来源:航空工业信息网我要投稿我要评论

美国《航空周刊》2015年7月17日发表了一篇专题文章,讨论飞行马赫数为5的民用客机运营问题。首先看一下,SR-71侦察机的教训能够帮助设计师为超音速客机的运营做什么准备?

高超声速客机机体表面温度太高,处理起来困难重重。例如马赫5+运输机在完成高超声速洲际飞行后机体过热的地面处理就是研究人员要解决的未来高速客机运营中出现的一个特殊问题。

虽然大多数高超声速运输机项目关注重点在基本的设计和空气动力学、推进、结构和系统技术需要方面,但运营方面的挑战则很难预测。

有关如何解决其中的一些问题的线索,高超声速研究人员正在转向从以往的如马赫数2的英法联合研制的“协和”客机或马赫数3.2的洛克希德公司的SR-71侦察机取经。然而,在格拉斯哥召开的美国航空航天学会(AIAA)的高超声速和空天飞机会议上,洛克希德•马丁公司的高级发展项目经理Rob Vermeland说,这些经验教训在一段时间一定程度上也许有益,但是,高超声速运输与超声速或亚音速飞机面对的运营挑战却是“完全不同的两回事”。

欧洲-日本阿光集团(European-Japanese Hikari group)正在考虑的未来高速客机项目提出了一个概念上的目标,飞行间隔时间大约48小时。对SR-71而言,Vermeland认为即使有专职地勤人员的充分支持,快节奏的飞行也是完全不可行的。SR-71的飞行间隔时间是一周,而超声速客机开发人员的目标是48小时。

5马赫客机运营面临巨大挑战

图片来源:洛克希德•马丁公司

再有就是可维修性问题。飞行回来,“SR-71常常不会回到‘代码一(Code One)’,或即飞行准备。更多的时候是代码二(Code Two),这意味着机件不得不修理,或者更糟的代码三(Code Three),这意味着重要机件不得不修理。它可能返航时面板脱落,飞行中铆钉迸出,甚至打破进气口的零件。飞机修复并准备好再次起飞需要一个星期。如果某些东西打坏了,可能需要一个月。

“所以,如果高速客机的目标是飞行间隔时间是48小时,要实现它需要付出更多的努力。今天航空公司试图使飞机在几乎所有的时间都在飞,而高速客机在地上的时间比它们在飞行中的时间超过100倍,那就要考虑经济性问题。” Vermeland建议是,要开发人工智能、嵌入式预测、数据跟踪和健康-监控系统等,将链接到一个高效的后勤流程中,当飞机到达时,零备件已准备好即可更换。

Vermeland说,从一开始,飞行安全就要引导设计。在高速飞行时,SR-71的进气道经常不起动,对飞行员而言这是极端“残暴的事件”。它会拍击舱罩。如果这种事情对空军飞行员也许没有什么,对于乘客则不希望发生这种事。尽管舱外的环境恶劣,但乘客期望超声速飞机有一个亚声速飞机一样的舒适座舱。乘客不会身穿加压服,如果失去舱压会发生什么?当失效发生时,有什么安全系统能阻止?

研究人员希望未来高超声速飞行器在今天的航空运输基础设施内工作。但鉴于高速飞机的一切不寻常的要求,从加油、地勤到长跑道,滑行道上大半径的转弯,Vermeland的建议是建设“点对点”的高超声速机场,这种代价是值得的。整个基础设施中,还要考虑氢燃料和地面处理问题。今天的乘务员和地勤人员飞机到了就会打开舱门,而未来他们推开和接触的高超声速飞机部件,有的可能还处于高温状态。

俄罗斯中央空气动力学研究院的行政主管谢尔盖切尔内绍夫说,高超声速飞行器需要小心驾驶,使声爆避开暴露的居住区。“因飞行器飞得过高,声爆曝露面较大。然而,根据我们的研究[在欧盟资助的Hexafly-Int高速飞行器项目],飞行器”以360吨的起飞重量,冲击波的最大振幅只有超压约60+帕斯卡,没有预期的那么高。“这与航天飞机再入时,在马赫数1.5和18288米高度的飞行状态大致相同,但比“协和”飞机在马赫数2和15850米高度飞行时所产生的90帕斯卡强度低。

他说:“为了解决这个问题,我们必须考虑飞机形状和布局、飞行剖面和大气条件。在典型情况下,我们计算出直线飞行时冲击波密度的声爆,但如果我们进行大过载的机动或加速时,会增加冲击波的密度”。

法国航空航天研究中心(ONERA)研究工程师Sebastien Defoort说,与关注声爆一样,在飞行器的设计和如何运营两方面,排放的潜在影响将会是一个重要因素。但严重程度将取决于巡航高度、速度、燃料类型和平流层中水蒸汽对气候的潜在影响。“我们将不得不从绿色开始。需要考虑到一些公众强烈关注的事情”。

Defoort补充说明:“传统客机飞行在10公里的高度,会排放出300吨二氧化碳和140吨水蒸汽。马赫数5的飞机将会在25公里高度飞行,如果是氢燃料,排放出更多的水蒸汽,而没有二氧化碳。但是,如果我们以马赫数8飞行,我们将飞得更高,在大气上层排放更多的水蒸汽”。一支小型高超声速飞行器机队,一个月可能会向大气中加入15兆吨的水蒸汽,大部分在北半球。

“我们必须小心,因为这些数字还有待进一步确认,但数据也表明,水蒸汽对气候和温度变化有非常大的影响。一氧化二氮的排放量存在一定影响,但是对氢燃料而言是第二位的”。更多的详细分析显示,在更高的高度上,可以降低大气层化学物的驻留时间。Defoort说,底线是“要在马赫数8和更高的高度飞行才更好”。此外,他说:“有特殊的飞行航线,可能会减缓排放的影响,例如,飞越地球两极将会有帮助,因为水蒸汽的驻留时间可能较低”。

 
本文链接:https://www.81uav.cn/uav-news/201701/30/22520.html
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