1、第 14 卷 第 4 期2023 年 8 月Vol.14 No.4Aug.2023航空工程进展ADVANCES IN AERONAUTICAL SCIENCE AND ENGINEERING低声爆超声速飞机气动布局技术研究进展苏冯念，钟萍，曾慧，罗月培，陈喜兰，郭楚微（中国空气动力研究与发展中心 计算空气动力研究所，绵阳 621000）摘要：超声速飞机气动布局对声爆强度具有重要影响，而低声爆气动布局是新一代超声速民用飞机的关键，因此低声爆气动布局得到了广泛研究。本文在系统调研声爆抑制技术的基础上，介绍了国外降低超声速飞机声爆的六种主要气动方法，包括优化飞机体积与升力分布，改变机翼掠角，利用机翼
2、上反角，采用长细机身，采用抑波锥，机翼上方安装发动机；总结并分析了低声爆超声速飞机的四种主要气动布局形式，根据当前低声爆超声速飞机布局形式得出三角翼布局是下一代环保型超声速客机的主要气动布局形式；展望了低声爆超声速飞机气动布局技术的未来发展趋势。关键词：超声速飞机；低声爆；气动布局；声爆抑制技术中图分类号：V211.4 文献标识码：ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.04.02Research progress of aerodynamic configuration technology of low sonic boom supersonic aircraftS
3、U Fengnian，ZHONG Ping，ZENG Hui，LUO Yuepei，CHEN Xilan，GUO Chuwei（Computational Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China）Abstract：The aerodynamic configuration of supersonic aircraft has an important effect on the intensity of sonic boom，and the l
4、ow sonic boom supersonic configuration is the key of the new generation supersonic aircraft，so the aerodynamic configuration of low sonic boom supersonic aircraft is researched extensively.Based on the systematic investigation of foreign sonic boom suppression technologies，six main aerodynamic metho
5、ds of foreign low sonic boom supersonic aircraft are introduced，including aircraft volume and lift distribution optimization，wing sweep angle change，wing dihedral angle utilization，slender fuselage and wave suppression cone usage，and engine installed on the wing.Four main aerodynamic configuration t
6、ypes of low boom supersonic aircraft are summarized and analyzed.According to the aerodynamic configurations of current supersonic aircraft，it is concluded that the delta configuration is the mainstream aerodynamic configuration of the next generation environmentally friendly aircraft.The developmen
7、t trend of the aerodynamic configuration technologies of low boom supersonic aircraft is prospected.Key words：supersonic aircraft；low sonic boom；aerodynamic configuration；sonic boom suppression technology文章编号：1674-8190（2023）04-018-13收稿日期：20220513；修回日期：20221130通信作者：苏冯念,引用格式：苏冯念,钟萍,曾慧,等.低声爆超声速飞机气动布局技术
8、研究进展J.航空工程进展,2023,14(4):18-30.SU Fengnian,ZHONG Ping,ZENG Hui,et al.Research progress of aerodynamic configuration technology of low sonic boom supersonic aircraftJ.Advances in Aeronautical Science and Engineering,2023,14(4):18-30.(in Chinese)第 4 期苏冯念等：低声爆超声速飞机气动布局技术研究进展0引 言飞机超声速飞行产生的声爆是一种特殊的气动声学现象，
9、对人类、建筑/构筑物、陆地/海洋动物、邻近飞行器/车辆/船舶等都会产生不利影响，甚至可能会引发雪崩、滑坡等地质灾害1。声爆严重制约了超声速客机的使用，“协和号”客机由于超声速飞行时地面声爆噪声太大而被禁止在陆地上空超声速飞行，由于油耗太高、经济性差以及安全问题而被迫在 2003年停止使用。之后全球一直没有超声速客机运行。近年来，由于旅客对更快旅行的需求以及超声速民用飞机潜在的巨大市场，以中小型超声速公务机为代表的新一代环保型超声速民用飞机研究出现了新的高潮；NASA-洛马公司联合研制的X-59 低声爆技术验证机计划在 2022 年首飞2，并按计划进行飞行试验收集社区响应数据，为美国联 邦 航
10、空 局（FAA）和 国 际 民 航 组 织（ICAO）在2025 年制定超声速飞行噪声标准提供参考和依据。新一代安静的环保型超声速民用飞机展翅蓝天的曙光已经出现。为了研制低声爆超声速民用飞机，国外自 20世纪中期就开展了大量声爆特性、危害及其抑制技术的研究1，3-7，国外研究的声爆抑制技术主要分为三类1：1）通过飞机飞行方式抑制声爆，即利用声爆对飞行参数的敏感性，在飞行中根据飞机的具体性能特征选择最佳的飞行高度、马赫数、航迹角、飞行轨迹等，以实现地面声爆最小化的目的；2）通过添加能量、质量或实施控制抑制声爆，即利用发动机排气喷流、等离子体或聚焦激光、微波束等抑制声爆，这类方法需要消耗大量能量，
11、增加重量或增大阻力，多为概念探索，尚未进入实用阶段；3）通过气动方法抑制声爆，即通过调节机翼平面形状、掠角、反角、发动机位置等措施优化气动布局抑制声爆，这是研究最多、实用价值最高、应用前景最广的方法，许多研究成果已经应用到新一代超声速民用飞机的设计上。低声爆气动布局是新一代超声速民用飞机的关键。本文介绍了国外探索过的低声爆超声速飞机气动布局方法，总结了低声爆超声速飞机主要的气动布局形式，并展望了低声爆超声速飞机气动布局的未来发展趋势。1典型的低声爆气动布局方法1.1优化飞机体积与升力分布通过改变飞机平面形状/构型可以优化飞机的体积分布和升力分布，体积和升力分布的改变又可以改变声爆波形，如延伸
12、N 波长度、减小波幅或制造一种非 N 波（如平顶形波或斜坡形波），这样就能够降低声爆强度。1.1.1优化体积分布由于声爆波信号的超压由飞行器的最大截面积决定，波信号形状由等效面积曲线的形状决定，根据 G.B.Whitham8、F.Walkden9建立的等效体理论，通过仔细设计飞行器体积分布，减小最大截面积，可以控制声爆波形、抑制声爆强度。一些典型的声爆信号特征和改变飞机形状对声爆信号特征影响的情况如图 1 所示，可以看出：没有经过低声爆优化设计的超声速飞机，其体积和升力分布的结果一般都是在地面上产生 N 波；通过优化设计的超声速飞机，其体积和升力从机头到最大值处的等效面积分布得到优化而且波形光
13、滑渐变，从而使声爆信号波形变成平顶形或斜坡形。H.W.Carlson等10的研究表明，从平顶波变为斜坡波只需要在头部和最大值附近稍微改变等效面积。图 1 声爆信号波形与飞行器面积变化的关系1，10Fig.1Relationship of signature shapes to vehicle area development1，1019第 14 卷航空工程进展另外，为了减小飞机的超压，必须分散等效面积，以便增大长细比。图 1 下部分中，N 波信号与等效面积分布有关，不规则/不均匀的等效面积分布产生经典的 N 波；当等效面积被平滑分布在较长的长度上，使得最大等效面积变小时，产生平顶信号，超压减小
14、；继续在更长的范围内光滑地延展等效面积分布，且使最大等效面积更小，则将产生上升时间有限的准正弦波形信号。H.W.Carlson等10的研究表明，要实现正弦波信号，则飞行器的长度要达到 152 m量级或更长。1.1.2优化升力分布通过优化升力分布也可以控制激波的强度和位置，从而减弱声爆强度。通过改变机翼平面形状、机翼厚度、机翼扭转、机翼弯度和反角等可以调节机翼的升力分布。多种机翼构型及其超压与升力分布的关系示意图如图 2所示，其中每一种机翼构型都代表了某种特殊的机翼激波系如交叉、弯曲、垂直间隔激波。L.W.Hunton11研究了各种激波系的组合，除了这些对称的构型之外，还研究了具有弯曲翼型的箭形
15、机翼和具有10反角的三角形机翼。这些机翼在只有简单机体情况下测得的超压特性如图 2（b）所示，其中给出了 12 个机翼在 4 个机体长度位置上由机翼产生的最大峰值超压与升力系数的关系（Ma 为 1.4）。图中标示的数字，除了标识曲线外，还表明了在升力系数大致为 0.15的过渡飞行中，超压从最高水平过渡到最低水平的情况。图 2（b）中的对比简略地概括了当时预测的几种机翼声爆特性的好坏情况。（a）研究的构型（b）机翼峰值超压汇总图 2 机翼构型对声爆的影响（Ma=1.4，h/l=4）11Fig.2Influence of wing configurations on sonic boom（Ma=1
16、.4，h/l=4）11通过对上述众多机翼构型的研究发现：前缘弯曲的箭形机翼在较高升力下具有优势；三角翼构型的机翼上反角对降低超压的效果非常明显；升力对超压影响的变化非常大11。另外，升力和体积对有效面积分布的贡献是叠加的，因此，为了获得优化的结果，需要对两种贡献进行优化。1.2改变机翼掠角采用变后掠或变前掠机翼对于抑制声爆也有效果。湾流公司采用变后掠机翼的超声速公务机（SSBJ）概念图如图 3 所示，该机在超声速巡航时采用大后掠角飞行，这时飞机的等效面积更平滑，激波强度较低，因此声爆较弱；在低速飞行时，为了提高升力和升阻比，采用较小的后掠角。图 3 湾流公司的变后掠超声速公务机（SSBJ）概念图12Fig.3Gulfstreams variable sweepback wing supersonic business jet（SSBJ）concept1220第 4 期苏冯念等：低声爆超声速飞机气动布局技术研究进展日本航空航天探索局（JAXA）研究了变前掠机翼对超声速公务机和小型超声速运输机声爆的影响1，13，研究的飞机性能要求为：巡航速度 Ma为1.82.2，最小航程 6 482 km
