摘要：近日，美国布姆公司（BoomSupersonic）表示，其研发的超声速客机技术验证机XB-1在试飞中成功实现了超声速飞行，试飞地点在美国莫哈维沙漠上空。布姆公司表示，在其最近的两次试飞中，XB-1的最大马赫数分别达到了马赫数1.11和马赫数1.18。

近日，美国布姆公司（BoomSupersonic）表示，其研发的超声速客机技术验证机XB-1在试飞中成功实现了超声速飞行，试飞地点在美国莫哈维沙漠上空。布姆公司表示，在其最近的两次试飞中，XB-1的最大马赫数分别达到了马赫数1.11和马赫数1.18。

XB-1

如果用传统的飞行性能体系来评估，按照XB-1的气动构型和动力配置，这两次试飞尽管实现了超声速飞行，但是最大速度都没有超过马赫数1.2，其实速度并不算突出，毕竟既往的“协和”客机和如今的军用战术飞机都能够轻易实现这一速度。

但布姆公司此次公开披露的试飞信息中，真正的突破性部分是XB-1在超声速飞行中实现了无声爆特性，并且没有显著牺牲飞机的气动性能，“XB-1在试飞中进行了多次超声速飞行，地面人员均未感受到人耳可察觉的声爆。”也就是说，在飞机进行超声速巡航过程中，地面上的人群没有听到巨大的声爆。

根据布姆公司的公开信息，之所以能实现这样的安静，是有赖于现代大气探测计算、实时通讯和飞行控制技术的进步，XB-1成功应用了“马赫截止”（Mach Cutoff）效应。

T-38进行超声速飞行时产生的激波

随着飞机的速度不断提升，从高亚声速开始，机体与空气的交互作用会不断形成强烈的激波。于是，在超声速飞行状态下，飞机的大部分动力都被消耗在了产生激波并推动飞机克服激波产生的气动阻力上。在一些特定的条件下，比如飞机离地高度较小，速度又快，那么传递到地表的激波会非常强烈，“声爆”就产生了：这些强烈的振动波会在地表形成类似爆炸的声音，甚至能震碎玻璃等脆弱结构。

因此，很多国家都严格禁止民用飞机在陆地，尤其是城市上空进行超声速飞行，军用飞机的超声速飞行也会受到严格的限制。“协和”客机的超声速飞行能力同样仅被允许在海洋上空使用。现在主流的客机型号均为亚声速型号，除了成本方面的因素外，噪声带来的扰民和相关法律问题也是核心原因之一。

一般来说，要削弱声爆，一般会从这两种思路入手：

X-59验证机，注意激波的形态和分布区域。

第一种思路是弱化激波的生成，特别是机体下方的激波。

基于这一思路，NASA制造了X-59验证机。可以发现，其机体形态不同于普通客机。这一思路下的验证机往往有夸张的长细比，制造成本会很高，会损害其人、货装载能力，难以发展成实用化的运输类飞机。

另一方面，由于升力本质上来自于机体上下表面之间的压力差，大幅度弱化机体下表面的激波必然会削弱飞机下方的压力，导致升力损失，这会降低飞机的载荷、航程、油耗等多种性能。在投入使用后，这样的代价都会转变为很高的经济成本。

第二种思路是阻碍激波的传播，使其传递到地面的部分微弱到不足以造成危害。

布姆公司发布的原理概念图，说明XB-1如何在跨声速区域实现“马赫截止”效应。

由于空气密度会随着海拔升高而呈非线性降低，海拔18000米附近已经接近涡轮类燃机能够正常工作的边界了。尽管飞机在这一高度进行超声速巡航，不足以让声爆自然衰减到无害的程度，但是这一高度提供了很大的空间范围，这能够为另一种原理的应用提供基础——让激波在空气中不断偏转，最终向上方反射掉其中的绝大部分，只有非常微弱的声波传递到地面。

这种“马赫截止”效应的原理，近似于光线从空气进入水中的折射，都是“波”在不同介质中传播时受到密度变化等因素的干扰，使它的运动方向形成改变。激波在空气的传播过程中，也会随着密度、温度、大范围内空气的整体流动趋势（风）而改变方向。

在一些特定条件下，比如合适的高度，温度，风向和飞行速度下，超声速飞行产生的声爆甚至无法传递到地面。高空的空气密度更小，声速也较低；当激波不断向下方运动时，由于声速的增大，它会被不断折射偏转，直到被反射向上方的天空。

XB-1的无（低）声爆飞行技术，核心思路正是使飞机的超声速飞行始终维持在这种特殊状态中。因此，其最大的难点不在于飞机本身的气动和动力构型，而在于XB-1必须随时获得其所在空域的准确大气数据——在此基础上，机载计算机才能持续生成准确的所需飞行速度，并通过自动化的飞行控制系统来有针对性地调节飞行状态。

从局限性上看，“马赫截止”效应的适用范围并不算广泛。不同空气层之间的物理特性差异，是高度近似且渐变过渡的，它对激波的折射能力有限。随着飞行马赫数不断增加，角度越来越陡的激波将难以在传递到地面之前被完全向上折射。

理论上，这种效应最多能支持到马赫数1.3的飞行速度，大多数情况下，飞机的速度必须在马赫数1.1到1.2之间调整。但从动力效率和相关的经济成本来看，马赫数1.0到1.3其实并非理想的跨声速区间内，空气阻力很高。同时，动态调整马赫数的要求，又必然使飞机频繁的加减速，不断增大/降低发动机推力，这会进一步提高油耗。对比马赫数0.94巡航和马赫数1.7下的巡航，这种速度随时变化的飞行成本相当高，航程也会相应缩短。

以这种方式飞行，它相较于亚声速飞机，最大速度提升大致在40%—50%。但如果距离太短，为客户提供的时间价值就不足以覆盖出行成本的上升。如果是跨洋飞行，则马赫数1.7巡航更快，航程更远而且成本更低。

因此，从市场前景来看，应用“马赫截止”效应的飞行模式如果真的要商用化，主要应用场景应该为内陆上空的长途飞行，或是陆地上空占比较大的混合航线。正如布姆公司宣传的，他们可以将从纽约到洛杉矶的飞行时间缩短最多90分钟。

值得关注的是，在布姆公司宣传XB-1实现无声爆飞行的页面末尾，布姆公司做了两方面的表态：

一方面，根据目前美国联邦航空管理局（FAA）14CFR91.817条款，美国禁止所有超声速飞行穿越陆地，无论声爆是否会到达地面。布姆公司表示正在推动相关条款的修改，希望建立、健全无声爆商业飞行的相关认证途径和管理体系。

另一方面，布姆公司表示，其“初期的‘序曲’”（“序曲”是其最终型号）并未采用类似验证机XB-1的低声爆设计，他们也没有期待该飞机获得FAA在陆地上空进行超声速飞行的相关认证。

“序曲”（Overture）

对于第二点声明，一个可能的推测是，布姆公司并不确定“序曲”试飞后能否重现XB-1较好的无声爆飞行效果。而且FAA相关条款的修改更是牵连极广，很多问题远未研究到相对成熟的地步，不可能短期内完成。因此布姆公司在宣传上做了一个类似于“免责声明”的预防性处理，避免关注者和潜在客户由于期望和现实落差过大，产生失望甚至被欺骗的感觉。

来源：看航空