X59靜音超音速技術(shù)飛機(jī) 采用了前所未有的四翼面布局
最近網(wǎng)上流傳一架體形新異的飛機(jī)——X-59 QueSST ，它是由美國宇航局 NASA 和洛克希德?馬丁公司共同研發(fā)的。據(jù)報(bào)道，這是一款技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，其旨在驗(yàn)證它的靜音超音速技術(shù)，該技術(shù)可將音爆的響度降低到對地面上的人來說只是輕輕的"砰砰"聲；據(jù)說正加班加點(diǎn)，準(zhǔn)備年底進(jìn)行試飛。
X-59是一架全新理念的飛機(jī)，機(jī)長28.65米，翼展9米，最大起飛重量14.7噸，推進(jìn)系統(tǒng)為F414-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)。X-59 QueSST的設(shè)計(jì)理念的新就新在靜音超音速技術(shù)理念，不但超音速，而且還“靜音”，X-59可在1.68萬米的高度上超音巡航，當(dāng)以1.42馬赫的最高速度飛行時(shí)，發(fā)出噪聲的大小地面上人聽到只相當(dāng)于關(guān)車門。因此需要在氣動(dòng)布局上引入新的設(shè)計(jì)理念。X-59 QueSST飛機(jī)采用了前所未有的四翼面布局，即鴨翼+三角形主翼+T形尾翼，而且在T形尾翼的下面，主翼的后上方還有一對“尾翼”，這種氣動(dòng)布局實(shí)際上是將現(xiàn)有翼形的優(yōu)點(diǎn)匯集于一身，另外，它還有一個(gè)最大的特點(diǎn)，那就是那個(gè)長長的鴨嘴形機(jī)頭，其長度占據(jù)整個(gè)機(jī)身的 1/3。
X-59 QueSST的四翼面布局一目了然
一直以來，許多人對超音速飛行時(shí)產(chǎn)生的音暴似乎已習(xí)以為常，也認(rèn)為無法避免，甚至還成了力量的象征。其實(shí)這是一種能量損耗，也是對有飛機(jī)極大的損害。音暴并非不可避免的，它的形成是當(dāng)飛機(jī)的速度超過 1 馬赫時(shí)，飛機(jī)的速度比聲波擴(kuò)散的速度要快，導(dǎo)致多個(gè)聲波疊加在一起，從而產(chǎn)生類似爆炸的巨大噪聲——音爆。但是通過對飛機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)，讓馬赫環(huán)的強(qiáng)度減弱，但數(shù)量有增長，并均勻分布于機(jī)身，逐序后推，保證它們不疊加在一起，這樣音爆的噪音將減去不少，X-59 QueSST 長度超過 30 米，其扁平的機(jī)頭更是長達(dá)9米，所以飛機(jī)的細(xì)長比極大，其目的也是為了快速地穿過音速，將音暴甩在身后。
然而這只是避免了馬赫環(huán)的疊加，減少了音暴的強(qiáng)度，而且這部分音暴本身就是能量，是高度壓縮的空氣，如果能將其利用，不但降噪，而且節(jié)能。而X-59 QueSST的機(jī)尾的雙尾翼設(shè)計(jì)就是這么個(gè)理念。別不信，先看三張圖:
圖一
圖二
圖三
圖一為X-59 QueSST研證模型的尾翼結(jié)構(gòu)，圖二為M21與D21的組合體，圖三為我國騰云計(jì)劃中的“I”型高超音速軌道器。他們是不是有很大的相似性。“I”構(gòu)型具有高升阻比、高升力系數(shù)和高容積率，有利于航天器大型化，據(jù)報(bào)道:實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 其在大容積率(約0.175)條件下可獲得超過4.5的升阻比, 且在最優(yōu)升阻比條件下的升力系數(shù)較乘波體提高達(dá)60%左右。當(dāng)然，有人會(huì)問，“I”構(gòu)型是高超音速飛行體的結(jié)構(gòu)，而X-59 QueSST只是超音速飛行，這不是一碼事。這就需要考研一下它的升力原理，“I”構(gòu)型是利用高度壓縮氣流產(chǎn)生升力，所以在原理上是來耦合的。事實(shí)上美國用一臺(tái)10噸級(jí)的F414發(fā)動(dòng)機(jī)去推動(dòng)一架比F/A-18E/F還要大的X-59做超音速巡航，可見其升力系數(shù)之高。
順別說一下的事，早在上世紀(jì)70年代，美國已在M21與D21的組合飛行中獲得一定經(jīng)驗(yàn)，據(jù)說當(dāng)時(shí)速度一度達(dá)到5馬赫，但由于當(dāng)時(shí)的航電無法控制，就把這種研究放下了，結(jié)果被我們搶了個(gè)先，搞了個(gè)“過于先進(jìn)，不宜展示”。所以美國上世紀(jì)在氣動(dòng)上是有不少摸索的，比如前不久美國還搬F16XL的三因機(jī)翼，這都是不錯(cuò)的氣動(dòng)，只是高處不勝寒，得了老寒腿。像這些氣動(dòng)重新來搞，其實(shí)就是落后了，其成熟期將是很漫長的。
如此看來，鴨翼產(chǎn)生渦升力，三角翼本身就是一個(gè)大升力體，再上“I”升力體結(jié)構(gòu)，這是將當(dāng)今世界最先進(jìn)的升力理念匯集于一身，可見其操控系統(tǒng)之復(fù)雜，特別是鴨翼的脫體渦在三角翼上飄過后，飄向“I”構(gòu)型時(shí)，會(huì)不會(huì)有副作用。
不管怎樣，這么先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，說是去搞一款民用客機(jī)，個(gè)人認(rèn)為沒有多少人相信，事實(shí)也是，2018年6月27日，美國空軍授予這款安靜超音速試驗(yàn)飛機(jī)“X-59 ”的數(shù)字編號(hào)。NASA也隨即發(fā)布了該項(xiàng)目的LOGO。假如在此基礎(chǔ)上發(fā)展一款靜音超音速轟炸機(jī)，相信比可變可掠翼要好上不少。因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)不但超音速，而且可以對壓縮氣流的進(jìn)行再利用，意味著它不但速度快，而且航程遠(yuǎn)、載荷多。
