你能在12分钟内从纽约到洛杉矶通勤吗?

由:尼古拉斯gerbi曾经

艺术家渲染的HTV-2。查看更多飞行的照片
图片由美国国防部高级研究计划局

有些航班飞得非常快,以至于服务员几乎没有时间打开饮料车。另一些人则拖着时间吃晚饭,看几场电影,睡个好觉。如果你能两者兼得,比如在90分钟内从纽约到东京,会怎么样?如果你能在比过境更短的时间内穿越美国,你会冒着最严重的时差反应的风险吗机场安检

当我们读到猎鹰高超音速技术飞行器(HTV-2)的第二次试飞时,脑海中就会出现这样的问题。这是美国国防高级研究计划局(DARPA)的一架飞机,承诺飞行速度达到或超过20马赫(音速的20倍)。

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洛克希德·马丁公司的HTV-2不是一架客机,甚至也不是一架战斗机,而是一种无人驾驶的、火箭发射的高超音速技术试验台。根据它提供的数据,五角大楼计划开发“全球打击”(Prompt Global Strike)车辆——能够在很少或没有预警的情况下打击全球目标的飞机——理想情况下,60分钟或更少时间。把它们想象成无人驾驶的火箭飞机巡航导弹或者是非常暴力的达美乐披萨司机(送货时间超过30分钟不予退款)[来源:美国国防部高级研究计划局;温伯格].

不幸的是,DARPA的HTV-2第二次测试和第一次一样,以失去联系开始,以进入太平洋的自毁壕沟结束[来源:法新社;搜集].在一个好消息和坏消息的经典案例中,DARPA在第一次测试中改善了空气动力学稳定性,但在第二次测试中却看到意想不到的抖振撕裂了飞船的大片皮肤[来源:美国国防部高级研究计划局弗兰].

这对未来的通勤者来说意味着什么呢?他们对开会比处理导弹更感兴趣。这很难说。截至2012年11月,从波音和空客母公司欧洲航空防务航天公司(EADS)等巨头,到XCOR和HyperMach等后起来者,已经有一些候选者排队填补长期空置的协和式飞机市场。与此同时,维珍银河(Virgin Galactic)和内华达山脉空间系统公司(Sierra Nevada Space Systems)继续专注于开发亚轨道空间飞机。

然而,尽管他们的营销手段可能会这样称呼它们,但这些车辆中的大多数都是超音速的,而不是高超音速的,而且有充分的理由。超过5马赫这一惩罚性阈值,即超音速和高超音速之间的传统界限,意味着与大气物理学的斗争变得疯狂。

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炒物理

这幅艺术家的描绘展示了NASA的X-43A Hyper-X研究飞行器在超燃冲压发动机的动力下飞行。超燃冲压发动机技术被认为是高超音速飞行的关键技术之一。"width=
这幅艺术家的描绘展示了NASA的X-43A Hyper-X研究飞行器在超燃冲压发动机的动力下飞行。超燃冲压发动机技术被认为是高超音速飞行的关键技术之一。
美国国家航空航天局通过盖蒂图片社

现在已经不存在的HTV-2的第二次测试证明了无情的现实高超音速飞行【来源:搜集].即使是超音速1350英里/小时(2172公里/小时)的协和式飞机,也在27年后由于安全问题和成本担忧而关闭[来源:诺瓦克].

物理学是一个严厉的监工。当飞机加速飞向声障时,空气停止“闪开”,并压缩到一堵墙里,飞机必须冲过去。在这样的速度下,阻力、升力和燃烧都变得异常剧烈,还有一些超音速的适应性,比如三角翼和对于使用——利用飞行器前进的动力压缩空气的简单喷气发动机——在较低的速度下,效率从低到低不等。亲爱的美国国家航空航天局].

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高超音速飞机需要更专门的解决方案,如热脱落烧蚀装甲和超音速燃烧喷气机,或超高速冲压喷气发动机,用于推进[来源:亲爱的美国国家航空航天局].即使在“低”高超音速(马赫5-10),空气分子电离成带电的化学反应等离子体,产生放热(热释放)反应,增加本已巨大的摩擦热[来源:弗莱彻美国国家航空航天局].

要在12分钟内从纽约飞到洛杉矶,飞行速度要比商用飞机快22倍。在这样的速度下,空气不会在你周围流动——你会撕裂它,产生巨大的压力,表面温度会达到3500华氏度(1900摄氏度)。超音速飞机可以用尖锐的线条切割空气,但高超音速飞机必须采用较钝的形状,以便更好地散热,这与阿波罗飞船的指令舱不同。襟翼很难克服车辆的惯性,机动需要精确的传感器和接近瞬时的响应[来源:美国国防部高级研究计划局弗莱彻美国国家航空航天局].

将玩家重新添加到游戏中,难度就会上升一个数量级。很难想象一架客机的机身能与空气动力学高超音速飞行。此外,任何能够克服这个问题的飞机都需要慢步而不是冲刺来跟上速度,以免乘客抱怨在起飞、降落和转弯时被压得像煎饼一样。

人体可承受2-3 G的力载荷(2-3倍)地球的引力),特别是在前进的方向,但不要期望一个高付钱的客户忍受不适,即使是1g超过几分钟。然而,这样的加速度可能是不可避免的:为了以高超音速飞行,飞机可能依赖于使它们在较低速度下变得笨拙的专业技术;因此,它们可能需要火箭助推器——以及它们所需要的重力——来达到飞行高度和速度[来源:美国国家航空航天局Zuidema et al。].

一架真正的高超音速飞机的要求,更不用说20马赫的飞机,可能无法很好地满足客机的舒适和安全要求。然而,如果你相信炒作,高超音速飞行器将很快统治军事和民用天空。

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高超音速:不要相信炒作

超音速客机以及从纽约到伦敦的一小时飞行——这种说法已经被宣扬了大约60年。问题不在于某些军用飞机或私人飞机是否能实现这一目标,而在于乔和简·卡伦(Joe and Jane Carryon)何时或是否会乘坐一架飞机通勤。

美国总统罗纳德•里根在1986年的国情咨文中曾呼吁开发从纽约到东京只需2 ~ 3小时的“东方快车”。计划中的罗克韦尔X-30——一种单级入轨(SSTO)客运太空客机——在到达原型阶段之前就被叫停了[来源:桑格].

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超音速飞行可能会回归,但可能不会很快。2012年,正在研发的一种竞争产品是零排放高超声速运输系统(Zehst),这是EADS和日本合作开发的一种以海藻生物燃料为动力的智能产品,日本计划在2040年或2050年左右推出该飞机[来源:琼斯].Zehst的飞行速度和高度是协和式飞机的两倍,票价约为6000欧元(8500美元)。利奇菲尔德].

如果成功,Zehst将使用3个推进系统,在2.5小时内(目前为11小时)运载50-100人往返巴黎和东京。两个涡轮风扇将推动飞机陡升到0.8马赫左右,之后两个火箭助推器将接管,将飞机加速到2.5马赫——这一速度足以让冲压发动机发挥作用,将飞机推进到大约4马赫。接近目的地时,飞机会滑行进去,涡轮风扇再次启动,在动力作用下着陆[来源:].

空客的主要竞争对手波音公司放弃了超音速巡洋舰,转而开发亚音速飞机787梦想飞机但你永远不能把这家公司完全排除在外——尤其是考虑到它的军事合同,这让它牢牢地留在了高速飞机的游戏中。尽管波音X-51A WaveRider的测试记录不可靠,但其背后的技术可能为最终的太空或商业应用奠定基础。该飞机依靠自身的冲击波飞行,多次突破5马赫。Bartkewicz波音公司].

与此同时,欧洲航空公司HyperMach已经宣布SonicStarsonic-boom-less飞机其飞行速度是协和式飞机的两倍据HyperMach称,SonicStar将以3.6马赫的速度在60,000英尺(18,300米)的高空巡航,在纽约和迪拜之间的飞行时间为2小时20分钟,可搭载10至20名乘客。该公司认为,该飞机可以在2021年6月前试飞[来源:琼斯].

总部位于加州的航空航天公司XCOR正在采用亚轨道方法研制山猫,这是一种双座商用飞机,专为高空超音速飞行设计。如果成功,山猫将以超过2500英里(4000公里)的时速巡航到62英里(100公里)的高度,然后下降,最大限度地减少麻烦的大气阻力、摩擦和湍流[来源:沃尔德伦].

考虑到所有的因素,将高超音速梦想换成双曲线飞行可能是可行的。

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亚轨道的洗牌

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2011年2月正在开发的追梦者
比尔英格尔斯/美国国家航空航天局通过盖蒂图片社

快速飞行的问题是,扰动只能以一定的速度在流体中传播,包括空气。接近或超过这个速度,这就相当于在水池中滑翔和从高空跳水时腹部扑倒的区别。有些人选择完全避开大气层,进行掠过太空的亚轨道跳跃,而不是进行如此残酷的战斗。

太空飞机——在太空或大气中飞行的可完全重复使用的航天器——以及高空商业跳跃器随着商业航天工业的增长而重新兴起。理想情况下,这样的飞行器可以在跑道上起飞和降落,但至少就目前而言,它们仍是白日梦。正如亚音速、超音速和高超音速的设计在各自的飞行体制下工作得最好一样,大气推进和控制系统也不同于那些在太空中工作得很好的系统。考虑到这一点,大多数设计依赖于两阶段计划,在启动机载飞行系统之前,由“母舰”飞机或火箭携带到高空。

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例如,理查德·布兰森的公司维珍银河计划用太空船2号将乘客送到太空边缘(约62英里,或100公里)。太空船2号是一个60英尺(18米)高的六人火箭滑翔机,悬挂在“处女之母”飞船Eve的下方。当双机身航母到达50000英尺(15240米)时,“太空船二号”将通过一种特殊的“羽状”拖拽技术首次减慢再入速度,然后分离,飞行并向地球滑行[来源:].布兰森的公司还与内华达山脉航天系统公司(Sierra Nevada Space Systems)达成了一项合作协议,可能会成为其计划中的“追梦者”(Dream Chaser)客运飞船的预订商。].

追梦者是一架可重复使用的小型航天飞机,其基础是苏联已不复存在的航天飞机设计bor4。它将通过阿特拉斯5号火箭发射,然后像飞机一样降落。内华达山脉计划与太空机构签订合同,最多运送7艘宇航员国际空间站(ISS)和地球之间的货物[来源:].2012年8月,该项目从NASA的商业乘员综合能力(CCiCap)项目获得了2.125亿美元,用于继续发展[来源:Sierra Nevada]。

如果太空飞机无法在太空运输方面赶上竞争对手,它们可能会需要这些商业乘客。2012年10月,太空探索技术公司(Space Exploration Technologies Corp., SpaceX)采用了更传统的火箭和太空舱的方式向国际空间站运送货物。轨道科学公司(Orbital Sciences Corp.),该公司一直在研发太空飞机,直到项目失败美国国家航空航天局在计划的国际空间站供应运行中,已经采用了这种方法的不可重复使用版本[来源:轨道].

超音速、高超音速或高跳亚轨道飞行可能是未来的潮流,但只有时间才能证明它们是否——或何时——能起飞。

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你能在12分钟内从纽约到洛杉矶通勤吗?

坦率地说:我无法想象一架搭载足够乘客的高超音速飞机能成为一种有价值的商业模式;我也想不出有哪一架飞机能不把每次乘坐它的乘客吓得魂飞魄散。然而,不知怎么的,亚轨道跳跃的想法——特别是从飞机母舰发射——并没有困扰我。

也许我只是在想,飞入太空,哪怕只有几分钟,也值得冒这个险。遗憾的是,维珍银河没有经济舱,可能永远也不会有;为了看到那样的风景,我会坐在行李架上。

我希望我是错的,但我不能把太空旅游或“太空通勤”看作是任何东西,如果那是富人的游乐场的话。悲剧的是,即使飞机真的起飞了,乘客的脸很可能在整个飞行过程中都埋在黑莓里。

这又引出了另一点:在历史上,我们从来没有像现在这样不需要旅行,而更需要节约资源。我们生活在一个远程办公、电话会议和虚拟会议的时代,“面对面”只需点一下鼠标。我们的时代也是一个迫在眉睫的环境变化和飞涨的燃料价格的时代。明智的是,像Zehst这样的飞机设计师专注于绿色技术和燃料,但也许把钱花在其他地方更好。

相关文章

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  • Bartkewicz,安东尼。《超音速乘波飞机飞行测试失败:报告》纽约每日新闻。2012年8月15日。(2012年11月15日)http://articles.nydailynews.com/2012-08-15/news/33220644_1_x-43-scramjet-test-flight
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  • 温伯格,沙龙。“美国国防部高级研究计划局高超音速导弹的第二次机会,将于8月到来。”受欢迎的力学。2011年8月11日。(2012年11月15日)http://www.popularmechanics.com/technology/military/missile-defense/a-second-chance-for-darpas-hypersonic-missile-coming-in-august
  • George Zuidema等。"人类对长时间加速的耐受性"航空医学杂志。27卷,没有。6.469页。1956年12月。(2012年11月14日)http://spacemedicineassociation.org/timeline/1956/27003.pdf

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