協和號首飛五十周年:超音速客機重返市場之路

撰文|蘇建翰

協和號曾經標誌著人類在商用超音速飛行領域的夢想成真,然而風光的時間並沒有維持太久,協和號受種種因素退出天空之後,至今民用客機飛行的速度和半世紀前幾無所異。雖然如此,商用超音速飛行仍是航空業無法忘懷的追求,除了數家民間公司仍在研發以外,NASA新世代的實驗性飛機也以此為目標,積極開發相關的技術,這一次不僅要追求更快,而且還要更好。

●折翼的協和號

自1969年首飛、1976年投入服務直到2003年除役,在這段不到四十年的歲月內,協和號來往於大西洋兩岸,服務追求速度、有節省時間需求的旅客,不到四個小時的時間,就能完成單趟跨洋的飛行。就如同多數的高科技產品,比如你我身邊的手機、電腦,隨著時間過去逐漸成為日常生活的一部分,協和號的出現也曾讓人期待超音速飛行能同樣地普遍起來,使得一日生活圈能拓展到整個地球。

圖一、英航協和號客機(來源: 維基百科, Eduard Marmet, CC BY-SA 3.0)

令人扼腕的是這一理想直到幾十年後的今天仍未實現,由於超音速巡航時產生的音爆——

突破音速障礙所伴生的巨大聲響——讓航線途經區域居民不堪其擾,當時歐美政府有關部門因此訂定法規,禁止民用客機在陸地上空以超音速飛行,這項規定的實施導致協和號的航路被限制在跨洋的洲際飛行上,大大縮減了拓展客源的機會;另外,所費不貲的票價也阻礙著超音速客機的盈利能力,直到退役前,協和號的跨洋單程票仍高達六千美金,只有金字塔頂端的客群才能負擔起一趟超音速飛行的費用。隨著由協和號執飛的法航4590號班機失事、九一一事件後航空業緊縮等一連串打擊的到來,最終使得協和號退出天空這片舞台。

●低噪超音速飛行計畫(Low-Boom Flight Demonstration, LBFD)

 目前主流客機改以追求效率、經濟為主,每每有新機型的推出,細看規格會發現當今客機對於速度的追求似乎都有著一層無形的天花板,最大巡航速度都低於音速,這是因為即使現在航空業相較過去更為蓬勃、旅客數也屢有成長,當初協和號面對的障礙仍在,如果無法改善音爆的負面影響,客機依舊只能提供跨洋航線的服務;超音速巡航所需要的推力以及燃料量如果無法更為經濟,就無法拓展客群到更普及的程度。

圖二、X-59外型想像圖 (來源:NASA)

 

為了讓超音速客機重回天空,在民間的力量以外,NASA和洛克希德·馬丁公司合作,進行低噪超音速飛行計畫(Low-Boom Flight Demonstration, LBFD)。LBFD計畫主要有兩個目標,第一是驗證超音速飛行降噪的可行性,思考在突破音障產生衝擊波不可避免的物理限制下,有沒有降低噪音的可能,並依此設計、打造出大型的實驗用原型機,即編號第59號的實驗性航空器(X-59 QueSST, Quiet Supersonic Transport);第二則是蒐集 X-59產生的噪音對居住於實驗航線上居民所產生的影響,作為未來立法者的參考。

LBFD計畫分為四個階段,第一階段(2018-2022)的重要目標就是完成X-59的設計和生產;

第二階段(2022-2023)進行驗證飛行,確認X-59能夠一如設計地降低對地噪音,並且在真實的大氣條件中有穩定、安全的表現;順利的話,第三階段(2023-2025)會進行衝擊評估,調查地面居民對於經降噪設計的X-59所產生噪音音量的接受程度;最後在第四階段(2026),研究團隊會分析居民的反應情形,提出報告。

●為降噪而生的獨特設計

為了降低音爆噪音、導引氣流更為平順的流過,X-59有許多獨特的設計,比如捨棄主流將引擎安裝於兩翼的設計,而改將引擎置於機身上方,這項設計已經由一個縮小的等比例模型在風洞中的測試證明其可行性;一般來說,飛機駕駛艙皆在機鼻上方,透過大面積的窗戶提供給機師良好的視野,X-59駕駛員的面前則不是窗戶,而是螢幕,改用外部相機實時傳送影像到駕駛艙螢幕的方式,讓機師了解外界天氣狀況,這種方式可以設計出更加纖細、流線飛機的外型,針對這種電子化視覺系統的相關測試也初步獲得成功。

必須注意的是,X-59是為LBFD計畫而生,用意是開發出能降低音爆噪音的機身設計與技術,出發點並非在於設計超音速客機的原型機,因此即使成功達成計畫目標距離商業化的實現仍有好一段路要走,不過用以開發X-59的技術可以供日後有志開發超音速客機的飛機製造商做為參考。2019年是協和號首飛的五十周年,現在我們再度投注在超音速客機的研究上,這一次不僅要更快,無論在減輕負面影響或是提升經濟效率上都還要更好。

圖三、X-59駕駛艙內部設計,以電子化的方式透過螢幕提供外部視野 (來源:NASA)

 

參考資料:
[1] Steven Overly, "The Concorde failed to change how we fly, but it still could,The Washington Post, Feb.14, 2017. 
[2] Low-Boom Flight Demonstration: the Mission
[3] J. C. Hernandez,  "Testing of X-59 Virtual Forward Window Successful”, NASA, Aug. 29, 2019. 
[4 "NASA's Supersonic X-plane Completes Testing at NASA Glenn Wind Tunnel” .

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作者:蘇建翰,目前就讀於台灣大學電信所碩士班,期待能透過自己的一點心力, 將各領域的有趣發現分享給大家。

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