JAXA公開採用低音爆設計的超音速飛機

morris_2007

2013年5月30日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）在速霸陸宇都宮製作所，向新聞媒體公開了低音爆（Sonic Boom）設計概念項目「D-SEND計劃」第二階段試驗（以下簡稱D-SEND＃2）中使用的超音速試驗飛機（圖1）。這架試驗機的外觀設計可以降低超音速飛行時產生的音爆，預定2013年7～8月在瑞典的Esrange試驗場開展試驗以檢測效果。

圖1：超音速試驗機利用前端的鴨嘴形狀（a）和後部下面的波浪形狀（b），分散衝擊波發生的時間。構成機身的部件大多是鋁合金切削件，速霸陸表示，「構成主翼的部件等採用手工製作，精度很高」


目標是減少在地面時的噪音

JAXA從2007年開始研發新一代超音速飛機技術。超音速客機的課題是經濟性和環境適合性，JAXA針對前者開發出了降低空氣阻力的技術，針對後者開發出了降低音爆的技術和降低起落噪音的技術等¹。

＊1：2003年退役的協和超音速由於音爆太大，只能在海洋上空進行超音速飛行。

D-SEND計劃主要是對音爆降低效果進行飛行驗證。該計劃除了確認低音爆設計的效果外，還會將其結果用於制定與音爆相關的國際環境標準。

音爆現象是指飛機以超音速飛行時，機身各部產生的衝擊波在大氣中向外傳播時聚集在一起，傳到地面上就會形成瞬間爆炸聲。音爆可用N形波表示，聲壓先急劇升高再慢慢降至負壓，然後再次迅速升高至0附近。

為了減輕音爆現象，JAXA開發出了可以分散衝擊波產生時間的機身形狀設計技術。這樣，衝擊波傳到地面之前難以聚集在一起，便可抑制N形波的高度（降低音爆）。實際上，採用該技術設計出的軸對稱形狀試驗機的第一階段試驗（D-SEND＃1）已經確認，這項技術可以降低音爆（圖2）²。

＊2：D-SEND＃1在2011年5月7日和16日實施了兩次試驗。有形狀各異的兩種軸對稱試驗機，一架長度較短（重量為700kg、長5.6m、直徑為613mm，與原來的超音速客機一樣會產生N形波。另一架機身細長（重量為630㎏、長8m、直徑為613mm），音爆強度約為前者的一半。D-SEND＃1的目的除了驗證音爆降低技術以外，還包括確立在空中測量音爆的技術。

圖2：D-SEND＃1使用的試驗機及測到的波形降低原來超音速客機中發生的「N形波」的兩個峰值，從而降低音爆（根據JAXA的資料製作）


D-SEND＃2使用的試驗機配備主翼和尾翼等，採用模仿實際超音速飛機的形狀，並非軸對稱。特點是前端的鴨嘴形狀和後部下面的波浪形狀（圖1）。對前端形狀及主翼形狀的改進可以抑制最開始的聲壓增強峰值，後部的波浪形狀和尾翼形狀可以抑制聲壓降低的峰值。

超音速試驗機的機身全長約7.9m、翼寬約3.5m、重約1t。機身內部配置自動飛行必需的（1）測量機身位置和速度等的GPS/INS導航裝置；（2）檢測迎角的皮託管和大氣數據系統；（3）將飛行過程中的數據發送至地面的遙測信號發射器等（圖3）。

圖3：超音速試驗機的內部構造配備自動飛行必需的感測器和飛行控制電腦。在30km高空從氣球上分離後，在測量點上空自動操縱，使試驗機按照預定的速度和角度返回地面（圖片來源：JAXA）


馬赫數達到1.3

由於D-SEND＃2使用的超音速試驗機沒有配備引擎，因此要利用熱氣球升空後再下落。具體為，升至30km高空後，根據地面發來的指令實施分離，先通過自由下落加速，然後一邊拉升機身一邊使其滑翔，並在指定位置（測量點的上空）進行自動操縱，使馬赫數達到1.3、航跡角（與水平面的夾角）達到50°。

事先在測量點設置了麥克風。在地面附近，大氣湍流會影像音爆的波形，因此用繩索將熱氣球固定在1km高空，並在繩索上750m、500m、250m和50m的高度設置了麥克風。地面上也配置了麥克風，用來測量試驗機發出的音爆³。

＊3：為了應對下落起始位置的變動，事先在兩個位置配置了測量用熱氣球。當到達以測量用熱氣球為中心的一個環形區域時分離。

試驗將在2013年7月25日至8月24日進行，將根據天氣等條件進行實證試驗。由於製造了兩架形狀和標準完全相同的超音速試驗機，因此將實施兩次試驗。（記者：中山 力，《日經製造》）

日經技術在線

似開發超音速轟炸機.