1945年4月9日，在歐洲戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束前不到一個(gè)月，一位名叫漢斯?基多?穆克（Hans Guido Mutke）的年輕德國(guó)空軍飛行員為了幫地面上的一名飛行員同伴，駕駛梅塞施密特ME262噴氣式戰(zhàn)斗轟炸機(jī)垂直俯沖。當(dāng)梅塞施密特向下加速俯沖時(shí)，飛機(jī)開(kāi)始劇烈搖晃，失去了控制。不過(guò)穆克成功地恢復(fù)了控制，并幸存下來(lái)描述了這一事件，后來(lái)他聲稱(chēng)自己超越了音速，這一說(shuō)法看似合理，但頗具爭(zhēng)議。
二戰(zhàn)期間和之后發(fā)生的類(lèi)似事件使一些人相信飛機(jī)很難“打破音障”，這一說(shuō)法引起了普遍誤解，人們以為空中存在著某種“磚墻”，飛機(jī)必須沖破它才能以超音速飛行。
無(wú)可非議，推倒這堵“磚墻”的飛機(jī)是貝爾X-1，一架子彈形狀的火箭動(dòng)力試驗(yàn)機(jī)。1947年10月，試飛員查克?葉格（Chuck Yeager）在水平飛行時(shí)駕駛橙黃色X-1飛機(jī)達(dá)到了略快于音速的速度，但美國(guó)空軍直到次年才正式宣布了這一壯舉。
從那時(shí)起，噴氣式飛機(jī)經(jīng)常超過(guò)1馬赫，即1倍音速，就連1959年推出的諾斯羅普T-38“禽爪”噴氣式教練機(jī)也能做到。一些軍用噴氣機(jī)可以飛得更快。20世紀(jì)60年代首飛的SR-71“黑鳥(niǎo)”軍用偵察機(jī)的飛行速度甚至超過(guò)了3馬赫。
雖然軍用飛機(jī)在20世紀(jì)50年代和60年代每天都在打破聲障，但商業(yè)客機(jī)在這段時(shí)間的飛行速度仍然限制在亞音速。這種情況直到1976年初才有所改變，法英聯(lián)合研制的首批協(xié)和式超音速民航客機(jī)的速度可達(dá)到2馬赫。蘇聯(lián)的圖波列夫TU-144也可以達(dá)到同樣的速度，它從1977年開(kāi)始載客飛行，在此之前一年還被用于運(yùn)輸郵件和貨物。
那時(shí)，完全有理由想象，從此我們都將以超音速環(huán)球飛行。但我們并未實(shí)現(xiàn)。協(xié)和飛機(jī)的最后一次飛行是在近20年前。今天的飛機(jī)并不比60年前的飛機(jī)飛得快。事實(shí)上，為了降低燃油成本，它們往往會(huì)飛得更慢一些。
現(xiàn)在，幾家飛機(jī)制造商和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）正致力于開(kāi)啟超音速商用航空的新時(shí)代。他們正在準(zhǔn)備試飛的原型機(jī)，并且已經(jīng)設(shè)計(jì)出能夠搭載許多乘客的成熟客機(jī)。這一次，他們最大的挑戰(zhàn)可能不是音爆，支持者堅(jiān)持認(rèn)為他們可以充分解決這個(gè)問(wèn)題。主要障礙將來(lái)自監(jiān)管以及環(huán)境保護(hù)：超音速客機(jī)產(chǎn)生的污染比亞音速客機(jī)要嚴(yán)重得多。
我們將會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的高速商用航空的黃金時(shí)代嗎？人們很快就能乘噴氣式飛機(jī)3個(gè)小時(shí)橫渡太平洋？要回答這些問(wèn)題，我們需要深入了解半個(gè)多世紀(jì)前，在第一次推動(dòng)超音速客機(jī)發(fā)展的過(guò)程中發(fā)生了什么，以及哪里出現(xiàn)了問(wèn)題。
1956年，也就是在葉格的歷史性飛行9年后，英國(guó)政府成立了一個(gè)超音速運(yùn)輸咨詢委員會(huì)，開(kāi)始與國(guó)際合作伙伴討論建造超音速客機(jī)。1962年，法國(guó)和英國(guó)政府達(dá)成了合作協(xié)議，研發(fā)后世人所知的“協(xié)和式”飛機(jī)。這架流線型三角翼客機(jī)于1969年進(jìn)行了第一次超音速試飛。雖然美國(guó)選擇不參與協(xié)和式飛機(jī)的開(kāi)發(fā)，但1963年時(shí)任總統(tǒng)約翰?肯尼迪宣布了開(kāi)發(fā)美國(guó)超音速客機(jī)的計(jì)劃。此后不久，聯(lián)邦政府與波音公司簽訂了一份開(kāi)發(fā)這種飛機(jī)的合同（波音公司在設(shè)計(jì)競(jìng)賽中戰(zhàn)勝了洛克希德?馬丁等公司）。
與此同時(shí)，環(huán)保主義者對(duì)這類(lèi)飛機(jī)起飛時(shí)的噪聲、高空排放物可能侵蝕臭氧層以及破壞性的音爆表示擔(dān)憂。最后一個(gè)問(wèn)題可能最令人擔(dān)憂，督促美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）進(jìn)行各種演習(xí)，以判斷公眾對(duì)音爆的反應(yīng)。1964年，美國(guó)俄克拉荷馬城上空進(jìn)行了非常頻繁的實(shí)驗(yàn)。在幾個(gè)月的時(shí)間里，超音速飛機(jī)在這座城市上空每天飛8次，每周7天，雖然時(shí)間不預(yù)定，但總是在白天。從20世紀(jì)50年代初開(kāi)始職業(yè)生涯的音爆專(zhuān)家多米尼克?馬格里里（Dominic Maglieri）回憶了這長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的測(cè)試結(jié)果。“看起來(lái)人們好像有點(diǎn)適應(yīng)了。”馬格里里說(shuō)，“但隨著時(shí)間的推移，情況發(fā)生了很大的變化：很快，他們就接到了成千上萬(wàn)個(gè)電話和投訴。”馬格里里說(shuō)，其中一些負(fù)面反饋甚至包括要求賠償，有一位宮殿式豪宅的業(yè)主聲稱(chēng)音爆震裂了他家的大理石地板。
顯然，沒(méi)有人會(huì)接受震裂石板的音爆。除這些反對(duì)意見(jiàn)外，環(huán)保主義者也提出了對(duì)臭氧層的擔(dān)憂——幾年后，麻省理工學(xué)院的研究人員似乎證實(shí)這一設(shè)想是合理的，他們得出結(jié)論，未來(lái)500架超音速客機(jī)就將消耗16%的臭氧層。盡管得到了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局、航空業(yè)和航天公司的大力支持，美國(guó)參議院還是在1971年停止資助開(kāi)發(fā)超音速客機(jī)。兩年后，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局禁止在陸地上空進(jìn)行超音速飛行，這一禁令一直延續(xù)至今。當(dāng)時(shí)，協(xié)和式飛機(jī)還在飛往一些目的地，包括美國(guó)的一些目的地，但僅在水面上以超音速飛行。這種情況一直持續(xù)到2003年，英國(guó)航空公司和法國(guó)航空公司的機(jī)隊(duì)退役，總共只有12架飛機(jī)。（生產(chǎn)制造了14架飛機(jī)，其中一架在1994年報(bào)廢，另一架在2000年墜毀。）雖然協(xié)和式飛機(jī)成功克服了阻礙超音速客運(yùn)服務(wù)的技術(shù)障礙，但它還是屈服于經(jīng)濟(jì)因素：這些飛機(jī)的燃料和維護(hù)成本特別高。但是，新一代航空工程師和企業(yè)家渴望再次接受技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。這也許并不奇怪，在21世紀(jì)推動(dòng)超音速旅行的不是老牌制造商，而是新來(lái)者。其中資金最為雄厚的是位于丹佛的Boom Technology公司（它的商標(biāo)名是Boom Supersonic）。2016年，當(dāng)Boom還在Y Combinator的創(chuàng)業(yè)孵化計(jì)劃中時(shí)，就得到了維珍集團(tuán)的大力支持，維珍集團(tuán)向它提供了工程支持，并預(yù)定購(gòu)買(mǎi)Boom前10架客機(jī)。（最近，維珍銀河一直在設(shè)計(jì)自己的超音速客機(jī)。）維珍對(duì)這一領(lǐng)域感興趣并不令人驚訝：13年前，該集團(tuán)創(chuàng)始人理查德?布蘭森爵士（Sir Richard Branson）曾試圖購(gòu)買(mǎi)英國(guó)航空公司即將退役的7架協(xié)和式客機(jī)，供維珍大西洋航空公司使用，但并未成功。Boom不斷從各種風(fēng)險(xiǎn)基金和日本航空公司獲得了超過(guò)1.5億美元的資金。它已經(jīng)用這筆錢(qián)建造了一架1/3比例的原型機(jī)，稱(chēng)為XB-1，其商用飛機(jī)被稱(chēng)為“序曲”（Overture），將能夠搭載多達(dá)88名乘客，該公司預(yù)計(jì)將于2029年開(kāi)始商業(yè)飛行。Boom也在強(qiáng)調(diào)其減少環(huán)境影響的計(jì)劃，超音速飛行帶來(lái)的環(huán)境影響是不可避免的。今年4月，Boom首席執(zhí)行官布萊克?斯庫(kù)爾（Blake Scholl）在眾議院航空小組委員會(huì)的聽(tīng)證會(huì)時(shí)指出：“可持續(xù)航空燃料（SAF）是實(shí)現(xiàn)“序曲”飛機(jī)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，我們正在從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)“序曲”飛機(jī)，百分之百使用可持續(xù)航空燃料，實(shí)現(xiàn)飛行凈零碳排放?！痹跍?zhǔn)備過(guò)程中，Boom研究了XB-1演示機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的生物燃料使用情況，并與普羅米修斯燃料公司合作，后者將用可再生能源從大氣中提取碳，為XB-1提供合成噴氣燃料。Boom表示，其飛機(jī)將只在水面上進(jìn)行超音速飛行。即便如此，由該公司的網(wǎng)站獲悉，該公司依然正在“對(duì)飛機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少音爆”。類(lèi)似地，另一家初創(chuàng)企業(yè)——總部位于波士頓的斯派克航空航天公司（Spike Aerospace）表示，其計(jì)劃開(kāi)發(fā)的S-512超音速公務(wù)機(jī)的“空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供專(zhuān)有的安靜超音速飛行技術(shù)。它能以1.6馬赫速度的全速巡航，不會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生巨大的擾民音爆?！蓖瑯樱绹?guó)加州的Exosonic公司也聲稱(chēng)，它設(shè)計(jì)的超音速客機(jī)“只會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生較柔和的砰砰聲，比一般的交通方式要安靜”。這正是NASA探索“X-59 QueSST”實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的一種策略?！癤-59 QueSST”是“安靜超音速技術(shù)”（ quiet supersonic technology）的縮寫(xiě)。洛克希德?馬丁公司目前正在其著名的加州帕姆代爾臭鼬工廠建造X-59。“我過(guò)去常開(kāi)玩笑說(shuō)，這架飛機(jī)看起來(lái)像一架膨脹的F-16。”NASA負(fù)責(zé)X-59技術(shù)的助理項(xiàng)目經(jīng)理大衛(wèi)?里奇溫（David Richwine）說(shuō)，“這是一架很長(zhǎng)的飛機(jī)，我想它大約有97英尺長(zhǎng)。”里奇溫解釋說(shuō)，增加長(zhǎng)度是“管理音爆信號(hào)”（這是工程師的說(shuō)辭，聽(tīng)起來(lái)不會(huì)那么刺耳）的一種方法。
NASA能否成功，最快將在2024年進(jìn)行揭曉，屆時(shí)X-59將飛越美國(guó)的一小部分城市，以判斷公眾對(duì)Richwine所期望的“砰砰聲”的反應(yīng)。假設(shè)這項(xiàng)目按計(jì)劃進(jìn)行，屆時(shí)將正值美國(guó)聯(lián)邦航空局在俄克拉荷馬城測(cè)試后的60年。讓你的大理石地板做好準(zhǔn)備吧。有趣的是，曾最為努力地降低其正在開(kāi)發(fā)的超音速噴氣式飛機(jī)音爆效應(yīng)的Aerion公司現(xiàn)在似乎要倒閉了。該公司位于內(nèi)華達(dá)州里諾市，由億萬(wàn)富翁羅伯特?巴斯（Robert Bass）于2003年創(chuàng)立。Aerion最初嘗試的商用超音速飛機(jī)是一架可搭載12人的公務(wù)機(jī)AS2，其最高設(shè)計(jì)速度為1.4馬赫。該公司曾經(jīng)探索過(guò)AS2以超音速在陸地上空飛行，同時(shí)音爆又不會(huì)影響下方人群的可能性。Aerion將這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為“無(wú)音爆巡航”。雖然我們看不到它在Aerion的AS2上使用，但其他超音速飛機(jī)可能會(huì)采用這一有趣的策略，因此值得在這里簡(jiǎn)要介紹一下。這一概念的關(guān)鍵是一種被稱(chēng)為“馬赫截止”的現(xiàn)象，其物理學(xué)原理很簡(jiǎn)單：當(dāng)飛機(jī)以超音速飛行時(shí)，速度會(huì)超過(guò)它產(chǎn)生的聲波。這些聲音堆積起來(lái)，會(huì)形成沖擊波。引發(fā)音爆的沖擊波的傳播角度取決于飛機(jī)相對(duì)于聲速的移動(dòng)速度。對(duì)于以音速好幾倍的速度飛行的噴氣式飛機(jī)來(lái)說(shuō)，音爆以與飛行軌跡成陡峭的角度傳播。對(duì)于只比聲速快一點(diǎn)的飛機(jī)，音爆以平緩的角度傳播。第二種情況在這里很重要，因?yàn)檫€有一點(diǎn)相關(guān)的物理現(xiàn)象：聲音在空氣中傳播的速度取決于溫度。在空氣較冷的高空，聲音的傳播速度要比在靠近地面、空氣較暖的要慢。這種現(xiàn)象導(dǎo)致聲波在向下傳播時(shí)會(huì)發(fā)生折射（彎曲），就像光波在水和空氣之間或玻璃和空氣之間傳播時(shí)發(fā)生折射一樣。由于這種折射，以足夠平緩的角度向下傳播的聲音會(huì)向上彎曲，永遠(yuǎn)不會(huì)撞到地面。類(lèi)似的物理現(xiàn)象還可以解釋你可能會(huì)看到海市蜃樓。熱瀝青上方的空氣可使傾角平緩的光線向上彎曲，看起來(lái)像是從水坑里反射出來(lái)的。如果一架飛機(jī)的飛行速度沒(méi)有比音速快很多，靠近地面的空氣又足夠溫暖，它產(chǎn)生的音爆，盡管可能聲音很大，但絕不會(huì)到達(dá)地面。這樣即可超音速飛行，而沒(méi)有音爆。需要做出的妥協(xié)是飛機(jī)的飛行速度不能比音速快很多，最多為1.1或1.2馬赫。與可以0.94馬赫的速度飛行的塞斯納的Citation X公務(wù)機(jī)相比，這并不是一個(gè)很大的改進(jìn)。要對(duì)馬赫截止現(xiàn)象進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)還需要美國(guó)聯(lián)邦航空局放寬對(duì)陸上超音速飛行的禁令，而這可能永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn)。目前正努力恢復(fù)商業(yè)超音速飛行的公司明白，它們必須以某種方式解決音爆噪聲問(wèn)題。而走得最遠(yuǎn)的Boom公司正在煞費(fèi)苦心地解釋它的飛機(jī)燃料不會(huì)增加商業(yè)航空已經(jīng)排放到空氣中的大量的碳。“這個(gè)邏輯有幾個(gè)問(wèn)題?！眹?guó)際清潔運(yùn)輸理事會(huì)的航空和航運(yùn)項(xiàng)目主任丹?盧瑟福（Dan Rutherford）說(shuō)，“首先，一旦飛機(jī)出了工廠的大門(mén)，制造商對(duì)用什么燃料就幾乎沒(méi)有控制權(quán)了?！边@些飛機(jī)制造商主張的是讓他們的最終客戶愿意為防止凈碳排放買(mǎi)單。盧瑟福說(shuō)，“這些飛機(jī)本身并不節(jié)省燃料?！?018年，他和兩位同事估計(jì)，一架商業(yè)超音速客機(jī)，就像Boom正在設(shè)計(jì)的那架，每乘客公里的耗油量可能是同類(lèi)亞音速飛機(jī)的5到7倍。盧瑟福進(jìn)一步指出，生物噴氣燃料的價(jià)格至少是傳統(tǒng)噴氣燃料的三四倍，用大氣中提取碳合成噴氣燃料的價(jià)格將更高。結(jié)合高成本燃料與高油耗，“這些飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本如此之高，很難看到它們?cè)谑袌?chǎng)上會(huì)取得成功?！彼f(shuō)。但6月初，美國(guó)聯(lián)合航空公司宣布計(jì)劃購(gòu)買(mǎi)Boom公司的15架Overture客機(jī)，該公司的企業(yè)發(fā)展副總裁邁克爾?萊斯基寧（Michael Leskinen）向本刊解釋道：“我們將努力向市場(chǎng)引入和供應(yīng)更多的可持續(xù)航空燃料，我們也希望隨著供應(yīng)量的增加，能夠降低燃料成本?！北M管如此，我們很容易想象，在如此大的經(jīng)濟(jì)壓力下，即使美聯(lián)航堅(jiān)持使用可持續(xù)燃料，其他運(yùn)營(yíng)商最終還是會(huì)使用傳統(tǒng)的噴氣燃料駕駛飛機(jī)，使每乘客公里飛行的碳排放量提高5倍甚至更多。但據(jù)盧瑟福說(shuō)，情況會(huì)更糟。“如果你看看超音速飛機(jī)會(huì)使地球變暖的其他排放物——超音速飛機(jī)在平流層產(chǎn)生的氮氧化物、顆粒物和水蒸氣，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們對(duì)氣候的影響甚至可能更糟，大約是20倍或更多，因?yàn)槲廴疚镌诖髿庵型Ａ舻臅r(shí)間更長(zhǎng)。”
盧瑟福承認(rèn)，與二氧化碳相比，這些非碳影響的研究結(jié)果還不確定。但正如20世紀(jì)60年代人們對(duì)臭氧層的擔(dān)憂一樣，超音速商用航空的支持者需要考慮這些飛機(jī)產(chǎn)生所有污染物的有害影響以及它們?cè)谀壳暗娘w行高度上延長(zhǎng)停留的時(shí)間。他們真的會(huì)那樣做嗎？“我們努力實(shí)現(xiàn)100%的綠色?！比R斯基寧說(shuō)，“這包括我們飛機(jī)所產(chǎn)生的各種影響。Overture與我們選擇運(yùn)行的任何其他飛機(jī)沒(méi)有什么不同。”這是一個(gè)偉大的承諾，但即使美聯(lián)航能夠兌現(xiàn)該承諾，這也是該公司對(duì)2050年做出的承諾，而不是2029年引入“序曲”飛機(jī)的承諾。更廣泛的社會(huì)層面將不得不在超音速運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境后果和它給相對(duì)少數(shù)的旅行者節(jié)省的時(shí)間之間做出權(quán)衡。當(dāng)然，在未來(lái)幾十年中，可能會(huì)出現(xiàn)多種方法，不同的國(guó)家也許會(huì)采取不同的政策。然而，似乎可以肯定的是，亞當(dāng)?斯密的“看不見(jiàn)的手”將產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，就像它對(duì)早期的超音速奇跡——協(xié)和式飛機(jī)和航天飛機(jī)所做的那樣。最終，二者都被證實(shí)陷入技術(shù)死胡同，因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)營(yíng)成本高于其服務(wù)的價(jià)值。IEEE Spectrum
《科技縱覽》
官方微信公眾平臺(tái)
