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美國Boom公司XB-1超音速客機驗證機

軍工資源網(wǎng) 2022年04月12日

導讀

據(jù)報道，2021年12月美國超音速客機開發(fā)商Boom Aerospace進行了談判以期望獲得國家資金，能夠在北卡羅來納州格林斯伯勒國際機場為其未來的客機Overture開設(shè)一個制造基地。2020年10月7日，Boom推出了Overture的縮比技術(shù)驗證機XB-1的原型機，并原計劃于2021年底在加利福尼亞的莫哈韋航空航天港進行飛行測試，但在2021年4月份，該公司首席執(zhí)行官表示，XB-1的首飛測試被推遲到了2022年。

一、項目背景

自2003年“協(xié)和”號退役以來，近二十年間市場上沒有再出現(xiàn)超音速客機。在運營期間，由于票價昂貴、維護和運營成本極高、市場需求不大等因素，“協(xié)和”號最終退出市場。然而，隨著技術(shù)的進步和市場對于快速旅行的需求，超音速客機又重新獲得民用飛行的青睞，目前市場上有多家公司參與到了超音速客機的研發(fā)當中。其中航空初創(chuàng)公司Boom Supersonic(以下簡稱Boom)招納了來自灣流航空航天公司、波音公司、亞馬遜、SpaceX、洛克希德馬丁公司和美國國防部等背景強大的工程師團隊，并與日本航空、羅羅公司和柯林斯宇航公司建立了深度合作伙伴關(guān)系，力求實現(xiàn)設(shè)計、材料、動力和軟件工程設(shè)計等超音速客機高難度技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和突破。

Boom于 2016 年3月正式宣布了自己的超音速客機計劃，并命名為Overture(序曲)，并于同年11 月表示首先開發(fā)一款技術(shù)演示器XB-1。由于Covid-19大流行，2020年10月7日，Boom在線上虛擬活動中正式推出了XB-1，其美國民事登記代碼為N990XB。

二、項目核心宗旨

據(jù)Boom創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Blake Scholl表示：“協(xié)和號飛機是當時的技術(shù)奇跡，但在經(jīng)濟和環(huán)境方面都不可持續(xù)。協(xié)和號過高的盈利和規(guī)模化經(jīng)濟成本、極大的噪音污染都使它在大多數(shù)機場都不受歡迎?！痹谖f(xié)和號飛機經(jīng)驗和技術(shù)的基礎(chǔ)上，Scholl 和他的團隊定義了三個核心原則來指導公司的戰(zhàn)略決策——速度、安全和可持續(xù)性。

速度是Boom的核心目標：建造世界上最快的超音速客機，通過更快的飛行，最大限度地減少飛行時長，增加航空公司運營的航線數(shù)量。

在安全性方面，Boom力求達到或超過所有美國標準的內(nèi)部安全管理系統(tǒng)，并與航空公司和合作伙伴實行交叉協(xié)作計劃。

可持續(xù)性方面，Boom積極實施100%碳中和測試計劃、LEED（能源與環(huán)境設(shè)計先鋒）認證計劃和使用可持續(xù)性航空燃料等。

三、項目特點

在制造超音速客機原型機之前，Boom首先制造了技術(shù)演示驗證機——XB-1，其目的是驗證設(shè)計原則、駕駛艙人機工程學、飛行包線以及飛行體驗。2020年10月7日在虛擬活動中首次展示的XB-1具有以下特點

外形：XB-1長約21米(71英尺)，只有Overture設(shè)計尺寸的三分之一長，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計保證機身在超音速飛行時有較高的空氣動力學效率
材料：碳纖維復合材料機身滿足超音速飛行帶來的高溫和高應(yīng)力條件下的強度和剛度需求
機翼：后掠三角翼翼展約5.2米，同時滿足高速飛行效率和起降時的低速穩(wěn)定性
推進：XB-1最大起飛重量6100千克，使用三臺通用電氣J85-15發(fā)動機，每臺發(fā)動機可提供4300磅力 (19 千牛)的推力，可維持 2.2 馬赫的飛行速度
駕駛艙人機工程學：XB-1試飛員的測試和反饋意見在駕駛艙設(shè)計中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這是數(shù)百小時可用性測試的產(chǎn)物
前視系統(tǒng)：XB-1利用高分辨率攝像機和駕駛艙顯示器在機頭的虛擬窗口為飛行員提供著陸時視野

展示的XB-1首架原型機

1、整體構(gòu)造

XB-1使用多種不同的材料，包括碳復合材料、鈦和鋁。每個組件都經(jīng)過單獨設(shè)計，以平衡強度、重量和穩(wěn)定性。在超音速下，飛機外部的溫度最高可達260°F。XB-1的機身可以承受超過300°F的溫度。XB-1的流線形設(shè)計和高長細比減少了阻力并優(yōu)化了飛行效率。三角翼設(shè)計可在較寬的速度包線內(nèi)平衡飛行的控制性和穩(wěn)定性，使XB-1在亞音速和超音速下都能高效飛行。XB-1安裝了三臺通用電氣J85-15發(fā)動機，兩臺位于機翼下方，一臺位于機身后部上方，三臺發(fā)動機可產(chǎn)生12300 磅力的最大推力。防滑剎車使XB-1能夠以高達185節(jié)當量空速或大約213英里/小時的進近速度安全著陸。

XB-1的流線形外形設(shè)計

XB-1三角翼結(jié)構(gòu)

XB-1發(fā)動機位置

2、3D打印技術(shù)

在設(shè)計和制造過程中，為了加快項目進程，降低成本，工程師們大量采用計算機建模和3D打印技術(shù)。XB-1定制的復合結(jié)構(gòu)包括3700多個零件，包括起落架、飛行控制執(zhí)行器和冷卻系統(tǒng)等。XB-1大多數(shù)零件是使用Stratasys打印機通過ULTEM 9085 CG打印出來的，三臺打印機Stratasys F900、Stratasys 450mc和Stratasys F370滿足了大部分需求。ULTEM 9085 CG是一種阻燃、高性能的熱塑性塑料，具有高強度重量比、優(yōu)異的耐熱性和高沖擊強度。由于稀有金屬極強的耐熱能力，發(fā)動機附近的一些零件是用鈦打印出來的。

XB-1整機結(jié)構(gòu)

Boom與VELO 3D的合作零部件

Boom與VELO 3D展開了密切合作，后者為XB-1開發(fā)和制造了相當數(shù)量用于飛機關(guān)鍵位置的最終用途零件，包括：可變旁通閥(VBV)系統(tǒng)的歧管，該歧管將發(fā)動機壓縮機釋放的空氣引導至飛機的外模線(OML);用于冷卻駕駛艙和系統(tǒng)艙的環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)的出口百葉窗;將中央進氣口的二次引氣流引導至OML的百葉窗;NACA管道和兩個分流器法蘭部件。

3、飛行模擬測試

XB-1飛行模擬器

XB-1在設(shè)計建造過程中，長時間的飛行模擬測試不僅能夠完成飛機飛行控制的設(shè)計，而且還可以通過完整的任務(wù)演練對飛行員和控制室團隊進行培訓。XB-1使用的第二代模擬器基本上是真實飛機的一個局部，通過3D打印盡可能地復制了駕駛艙和機械系統(tǒng)，此外還增加了虛擬液壓執(zhí)行器和風陣模型等。

XB-1駕駛艙

4、前視視覺系統(tǒng)

此前的 “協(xié)和”號客機在起飛和降落時，機翼必須向上傾斜以在低速時提供足夠的升力，大迎角降落必然影響視野，為了確保飛行員能看清跑道，飛機因此需要一個“下垂”的機頭，該設(shè)計增加了重量，并導致認證延遲和維護復雜化。XB-1選擇了前視視覺系統(tǒng)，可創(chuàng)建跑道的虛擬視圖。該系統(tǒng)包括兩個冗余攝像頭、一個多功能顯示器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)，可為飛行員提供所需的降落信息。

XB-1的前視視覺系統(tǒng)

5、可持續(xù)性

在可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保的背景下， Boom聲稱將成為全球首個達到可持續(xù)發(fā)展目標的商業(yè)飛行廠商，并且會從飛機測試和認證環(huán)節(jié)做起。雖然目前即將測試的XB-1以及正在設(shè)計開發(fā)的Overture都不是電動或混合動力飛機，但是公司在燃料方面堅持碳排放為零的目標，堅持燃料全部使用可持續(xù)的航空燃料(SAF)，以實現(xiàn)碳中和(凈零排放)。

Boom使用的燃料來自合作伙伴Prometheus Fuel，該公司使用來自可再生能源(例如太陽能和風能)的電能從空氣中提取二氧化碳，去除氧氣，然后將其與氫氣結(jié)合形成碳氫化合物燃料。Boom已經(jīng)在一些初期的地面測試中對這種燃料進行了測試，其結(jié)果表明這些燃料能夠有效使用。

四、未來發(fā)展

XB-1只是Boom超音速客機的技術(shù)驗證項目，最終目標還是要開發(fā)出超音速客機原型機。Overture計劃成為進入持久超音速飛行新時代的第一架客機。目標載客量65至88人，飛行高度60000英尺，長205英尺，速度1.7 馬赫，航程4888 英里。

Overture設(shè)計圖

按公司計劃，隨著XB-1飛行測試的開始，Overture的風洞測試也將正式開始，并計劃在2022年開始建造Overture制造工廠。高管們表示，Boom的目標是在2025年推出第一款Overture，并在2029年之前獲得型號認證。計劃中的Overture生產(chǎn)基地將有能力每月生產(chǎn)5到10架飛機。全尺寸原型機將采用羅羅公司的發(fā)動機，由于發(fā)動機燃油效率的增加和計算機輔助設(shè)計帶來的性能優(yōu)化，預計該機的運營成本將比 “協(xié)和”號客機低75%，預計票價將與目前民航客機的公務(wù)艙票價類似。

小結(jié)

隨著技術(shù)的進步和市場對于快速旅行需求的增長，超音速客機又重新獲得民用飛行的青睞。在目前市場上多項超音速客機的研發(fā)當中，Boom公司走在了前列。雖然只是一家航空初創(chuàng)公司，但Boom整合了多家航空公司和機構(gòu)的科研團隊，并與多家公司廣泛合作。然而作為一款僅僅推出原型機且尚未首飛的技術(shù)驗證機來說，XB-1距離真正可投入使用的超音速客機還有一定距離。盡管如此，Boom還是獲得了包括美聯(lián)航在內(nèi)的航空公司的采購訂單，這也證明了市場對于Boom超音速客機的積極預期。

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