超音速飛行器的發展

 
2017/04/18 牛仰堯 | 淡江大學航太工程學系     664
 

美國洛克希德.馬丁(Lockheed Martin)公司近年來投入龐大經費研發高超音速戰機,技術上已有重大突破。洛克希德公司首席執行官Marillyn Hewson宣布可望讓美國在2030年研製出以6倍音速(又稱6馬赫) 飛行的SR-72戰機,其機身規模遠比前身黑鳥偵察機SR-71來得小巧,類似目前美國空軍主力隱形戰機F-22的規格。未來藉由SR-72的服役,美空軍偵查各國空防依舊能保持如入無人境界的優勢。

 

根據空氣動力學的定義,在海平面高度及常溫常壓的條件下,音速大約是每秒340公尺,音速基本單位定義為1馬赫數(Mach number),因此,超音速常以馬赫數為量度單位。飛行超過5馬赫的速度又可稱為高超音速。

以6馬赫速度飛行的SR-72戰機,飛行的空間主要是地表上空平流層上方30-100公里的空域。當飛行器從稠密大氣層衝向稀薄大氣層時,空氣密度的巨大變化給飛行器的設計帶來很大困難。而此一噴射推進動力的突破,奠基20世紀50年代末超音速衝壓發動機技術之發展。超音速衝壓發動機的特色在於其燃燒室內的空氣的流場速度是超過音速的,我們知道,流場速度越高,推進系統產生的推力就越大。但是超過音速的流場,空氣與燃料在短時間混和後燃燒的穩定性不易維持。因此設計先進的燃料噴射技術和先進的混合技術是超音速衝壓發動機發展成功的關鍵技術。

 

再者,當飛行器以高超音速飛行時,氣動力分布因高溫產生很大的變化。當馬赫數達到8時,飛行器頭部溫度將接近1800℃,其它部位的溫度也將在600℃以上,會分解和電離飛行器表面的氣體,形成相當複雜的氣體動力行為。因此設計高超音速飛行器,需要了解高超音速空氣動力學相關的理論,並發展耐高溫結構材料。

 

目前全世界最快的飛行器,是美國航太總署所開發的6-8馬赫飛行X-43A無人實驗機。美國也同時進行高超音速巡弋導彈多項研究,目標是6-8馬赫、射程達1200公里左右的巡弋導彈。俄羅斯在高超音速技術領域也處於世界領先地位。俄羅斯研製採用氫燃料超音速衝壓發動機的試驗機,其飛行速度將高達6-14馬赫,目前已進行大量的地面測試和風洞實驗。

 

另外,超音速客機的發展也不遑多讓。歷史上只誕生過兩種超音速客機,一為廣為人知的協和號客機,另一則是蘇聯早在 1978 年就停飛的 Tu-144。由於協和號客機音爆帶來的嚴重噪音,以及龐大研發、營運成本支出和人為的空難事件,協和號商業營運於2003年中止。近年來由於航太科技的進步,目前美國民營航太公司 Aerion 與空中巴士公司(Airbus)準備讓1.5馬赫的超音速客機於2021 年進入商用領域。

 

我們都了解,當飛行器進入音速飛行時,將會逐漸追上自己發出的聲波。此時,由於機身對空氣的壓縮無法迅速傳播,逐漸在飛機的迎風面及其附近區域累積,最終形成震波(Shock Wave)面;震波面是聲波能量的高度集中面,也會與周圍的地面撞擊產生極為強烈的音爆 (Sonic Boom)。強烈的音爆會對地面建築物產生損害。所以各國一般都禁止超音速飛機在內陸上空突破音速,超音速客機可在到達海面上空之後才加速突破音障。

 

為了避免噪音對公眾造成滋擾,減低音爆的影響。美國太空總署和諾斯洛普·格魯曼公司及國防部合作「Shaped Sonic Boom Demonstration」計畫。在這計畫中,諾斯洛·普格魯曼公司的工程師在改造過的F-5上,對機身進行精細的調整,利用機身各部位產生的震波在相位上的差異,誘使它們互相抵消,成功重佈了能量。在此次的試航中,改造過的F-5削弱了震波的強度,進而降低了音爆的音量。

 

「超音速綠色飛機」採用了倒V字型引擎之設計,這種引擎可大幅降低音爆所產生的影響,再者,美國科羅拉多大學航太工程學系西培斯教授建議將機身拉長,同樣可降低音爆的強度。俄國的研究人員曾提出在機首製造一個電場以產生電漿,加熱周遭氣體減少震波的強度等。

 

長久以來,減少噪音一直是超音速飛行器研發上的重點,但與此同時,飛行器速度的極致追求也會使噪音問題更趨嚴重。由此可見,此一矛盾是未來無噪音超音速飛行器設計必須解決的問題。

 
(本文由科技部補助105年度《「新媒體科普傳播實作計畫」─以環保永續、環境教育、財務金融、應用科學暨新媒體藝術等領域為例》執行 團隊撰稿)
 
責任編輯:蔡美瑛|世新大學廣播電視電影學系