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美国Boom公司XB-1超音速客机验证机

军工资源网 2022年04月12日

导读

据报道，2021年12月美国超音速客机开发商Boom Aerospace进行了谈判以期望获得国家资金，能够在北卡罗来纳州格林斯伯勒国际机场为其未来的客机Overture开设一个制造基地。2020年10月7日，Boom推出了Overture的缩比技术验证机XB-1的原型机，并原计划于2021年底在加利福尼亚的莫哈韦航空航天港进行飞行测试，但在2021年4月份，该公司首席执行官表示，XB-1的首飞测试被推迟到了2022年。

一、项目背景

自2003年“协和”号退役以来，近二十年间市场上没有再出现超音速客机。在运营期间，由于票价昂贵、维护和运营成本极高、市场需求不大等因素，“协和”号最终退出市场。然而，随着技术的进步和市场对于快速旅行的需求，超音速客机又重新获得民用飞行的青睐，目前市场上有多家公司参与到了超音速客机的研发当中。其中航空初创公司Boom Supersonic(以下简称Boom)招纳了来自湾流航空航天公司、波音公司、亚马逊、SpaceX、洛克希德马丁公司和美国国防部等背景强大的工程师团队，并与日本航空、罗罗公司和柯林斯宇航公司建立了深度合作伙伴关系，力求实现设计、材料、动力和软件工程设计等超音速客机高难度技术领域的发展和突破。

Boom于 2016 年3月正式宣布了自己的超音速客机计划，并命名为Overture(序曲)，并于同年11 月表示首先开发一款技术演示器XB-1。由于Covid-19大流行，2020年10月7日，Boom在线上虚拟活动中正式推出了XB-1，其美国民事登记代码为N990XB。

二、项目核心宗旨

据Boom创始人兼首席执行官Blake Scholl表示：“协和号飞机是当时的技术奇迹，但在经济和环境方面都不可持续。协和号过高的盈利和规模化经济成本、极大的噪音污染都使它在大多数机场都不受欢迎。”在吸取协和号飞机经验和技术的基础上，Scholl 和他的团队定义了三个核心原则来指导公司的战略决策——速度、安全和可持续性。

速度是Boom的核心目标：建造世界上最快的超音速客机，通过更快的飞行，最大限度地减少飞行时长，增加航空公司运营的航线数量。

在安全性方面，Boom力求达到或超过所有美国标准的内部安全管理系统，并与航空公司和合作伙伴实行交叉协作计划。

可持续性方面，Boom积极实施100%碳中和测试计划、LEED（能源与环境设计先锋）认证计划和使用可持续性航空燃料等。

三、项目特点

在制造超音速客机原型机之前，Boom首先制造了技术演示验证机——XB-1，其目的是验证设计原则、驾驶舱人机工程学、飞行包线以及飞行体验。2020年10月7日在虚拟活动中首次展示的XB-1具有以下特点

外形：XB-1长约21米(71英尺)，只有Overture设计尺寸的三分之一长，经过优化设计保证机身在超音速飞行时有较高的空气动力学效率
材料：碳纤维复合材料机身满足超音速飞行带来的高温和高应力条件下的强度和刚度需求
机翼：后掠三角翼翼展约5.2米，同时满足高速飞行效率和起降时的低速稳定性
推进：XB-1最大起飞重量6100千克，使用三台通用电气J85-15发动机，每台发动机可提供4300磅力 (19 千牛)的推力，可维持 2.2 马赫的飞行速度
驾驶舱人机工程学：XB-1试飞员的测试和反馈意见在驾驶舱设计中发挥了关键作用，这是数百小时可用性测试的产物
前视系统：XB-1利用高分辨率摄像机和驾驶舱显示器在机头的虚拟窗口为飞行员提供着陆时视野

展示的XB-1首架原型机

1、整体构造

XB-1使用多种不同的材料，包括碳复合材料、钛和铝。每个组件都经过单独设计，以平衡强度、重量和稳定性。在超音速下，飞机外部的温度最高可达260°F。XB-1的机身可以承受超过300°F的温度。XB-1的流线形设计和高长细比减少了阻力并优化了飞行效率。三角翼设计可在较宽的速度包线内平衡飞行的控制性和稳定性，使XB-1在亚音速和超音速下都能高效飞行。XB-1安装了三台通用电气J85-15发动机，两台位于机翼下方，一台位于机身后部上方，三台发动机可产生12300 磅力的最大推力。防滑刹车使XB-1能够以高达185节当量空速或大约213英里/小时的进近速度安全着陆。

XB-1的流线形外形设计

XB-1三角翼结构

XB-1发动机位置

2、3D打印技术

在设计和制造过程中，为了加快项目进程，降低成本，工程师们大量采用计算机建模和3D打印技术。XB-1定制的复合结构包括3700多个零件，包括起落架、飞行控制执行器和冷却系统等。XB-1大多数零件是使用Stratasys打印机通过ULTEM 9085 CG打印出来的，三台打印机Stratasys F900、Stratasys 450mc和Stratasys F370满足了大部分需求。ULTEM 9085 CG是一种阻燃、高性能的热塑性塑料，具有高强度重量比、优异的耐热性和高冲击强度。由于稀有金属极强的耐热能力，发动机附近的一些零件是用钛打印出来的。

XB-1整机结构

Boom与VELO 3D的合作零部件

Boom与VELO 3D展开了密切合作，后者为XB-1开发和制造了相当数量用于飞机关键位置的最终用途零件，包括：可变旁通阀(VBV)系统的歧管，该歧管将发动机压缩机释放的空气引导至飞机的外模线(OML);用于冷却驾驶舱和系统舱的环境控制系统(ECS)的出口百叶窗;将中央进气口的二次引气流引导至OML的百叶窗;NACA管道和两个分流器法兰部件。

3、飞行模拟测试

XB-1飞行模拟器

XB-1在设计建造过程中，长时间的飞行模拟测试不仅能够完成飞机飞行控制的设计，而且还可以通过完整的任务演练对飞行员和控制室团队进行培训。XB-1使用的第二代模拟器基本上是真实飞机的一个局部，通过3D打印尽可能地复制了驾驶舱和机械系统，此外还增加了虚拟液压执行器和风阵模型等。

XB-1驾驶舱

4、前视视觉系统

此前的 “协和”号客机在起飞和降落时，机翼必须向上倾斜以在低速时提供足够的升力，大迎角降落必然影响视野，为了确保飞行员能看清跑道，飞机因此需要一个“下垂”的机头，该设计增加了重量，并导致认证延迟和维护复杂化。XB-1选择了前视视觉系统，可创建跑道的虚拟视图。该系统包括两个冗余摄像头、一个多功能显示器、数据采集系统和惯性导航系统，可为飞行员提供所需的降落信息。

XB-1的前视视觉系统

5、可持续性

在可持续发展和环保的背景下， Boom声称将成为全球首个达到可持续发展目标的商业飞行厂商，并且会从飞机测试和认证环节做起。虽然目前即将测试的XB-1以及正在设计开发的Overture都不是电动或混合动力飞机，但是公司在燃料方面坚持碳排放为零的目标，坚持燃料全部使用可持续的航空燃料(SAF)，以实现碳中和(净零排放)。

Boom使用的燃料来自合作伙伴Prometheus Fuel，该公司使用来自可再生能源(例如太阳能和风能)的电能从空气中提取二氧化碳，去除氧气，然后将其与氢气结合形成碳氢化合物燃料。Boom已经在一些初期的地面测试中对这种燃料进行了测试，其结果表明这些燃料能够有效使用。

四、未来发展

XB-1只是Boom超音速客机的技术验证项目，最终目标还是要开发出超音速客机原型机。Overture计划成为进入持久超音速飞行新时代的第一架客机。目标载客量65至88人，飞行高度60000英尺，长205英尺，速度1.7 马赫，航程4888 英里。

Overture设计图

按公司计划，随着XB-1飞行测试的开始，Overture的风洞测试也将正式开始，并计划在2022年开始建造Overture制造工厂。高管们表示，Boom的目标是在2025年推出第一款Overture，并在2029年之前获得型号认证。计划中的Overture生产基地将有能力每月生产5到10架飞机。全尺寸原型机将采用罗罗公司的发动机，由于发动机燃油效率的增加和计算机辅助设计带来的性能优化，预计该机的运营成本将比 “协和”号客机低75%，预计票价将与目前民航客机的公务舱票价类似。

小结

随着技术的进步和市场对于快速旅行需求的增长，超音速客机又重新获得民用飞行的青睐。在目前市场上多项超音速客机的研发当中，Boom公司走在了前列。虽然只是一家航空初创公司，但Boom整合了多家航空公司和机构的科研团队，并与多家公司广泛合作。然而作为一款仅仅推出原型机且尚未首飞的技术验证机来说，XB-1距离真正可投入使用的超音速客机还有一定距离。尽管如此，Boom还是获得了包括美联航在内的航空公司的采购订单，这也证明了市场对于Boom超音速客机的积极预期。

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