NASA的F-18战机在超音速科研飞行中制造多次音爆

NASA在超声速飞行上的数十年研究已经为飞机实现了独特的气动设计以及技术上的进步，这些设计和进步能够减弱音爆并使其音量显著降低 。...





NASA 将会放飞图片中的这架F-18研究用途飞机，这架飞机是从位于加州爱德华的阿姆斯特朗飞行研究中心滑行到这条跑道上的，它将在肯尼迪航天中心的上空制造音爆。空中和地面上的设备将记录音爆，为NASA研究人员提供数据，帮助他们更好地理解大气湍流对音爆的影响。NASA的F-18是从美国海军处获得，它为支持研究和训练飞行员而飞。

图片来源：NASA Photo/Ken Ulbrich

NASA旨在优化超声速飞行的研究，为八月为传说中的太空项目在发射场起航。

来自NASA的两个开展航空研究的研究中心，即加利福尼亚阿姆斯特朗飞行研究中心（Armstrong Flight Research Center）与弗吉尼亚兰利研究中心（Langley Research Center），他们的团队和飞机将开赴位于佛罗里达的肯尼迪航天中心进行为期近两周的飞行演习。



当NASA的F-18战机在佛罗里达东海岸达到超声速的时候，它将在大于或者等于32000英尺（约9753.6米）的高度飞行。F-18的航道定位在令最强音爆远离住宅区的地方，同时F-18仍然是在肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center，KSC）上空制造音爆，这样音爆的声音将能够被地面的麦克风阵列采集到。音爆在KSC北边的海滩上更容易听到，而卡纳维拉尔角空军基地（Cape Canaveral Air Force Station）则听到哑声，或者更安静的音爆。包括卡纳维拉尔角港口（Port Canaveral），可可（Cocoa），圣约翰港（Port St. John），泰特斯维尔（Titusville），米姆斯（Mims）和斯科茨穆尔（Scottsmoor）在内的地区都有可能听到一种近似于远处雷声的隆隆，尽管人们可能听到偶尔的一声“哑音的”音爆。

图片来源：NASA Graphics

历史悠久的太空港将承担大气湍流音爆飞行（Sonic Booms in Atmospheric Turbulence，简称SonicBAT)的第二个系列,SonicBAT是于2016年在加利福尼亚爱德华空军基地（Edwards Air Force Base）成功进行的超声速研究飞行的延续。

大气湍流音爆测试帮助NASA研究人员更好地理解低海拔大气湍流是如何影响音爆的，当飞行器以超声速，或者以高于声速的速度飞行时会产生音爆。即将进行的一系列飞行是验证将被用于研发未来低音量 超声速飞行器的工具和模型的关键举措；面向未来的低音量 超声速飞行器旨在产生温和的砰砰声而不是更响亮的音爆。

“在大气湍流音爆测试中，我们尝试弄明白大气湍流从何种程度上改变音爆”，阿姆斯特朗中心这个测试的主要研究员Ed Haering如是说。

最初的飞行系列为NASA提供了干燥气候条件下大气湍流对音爆影响的数据。即将展开的飞行将会在佛罗里达潮湿气候的影响下通过相同的方式测量其影响，收集的数据，以继续这项工作。

“湍流可以使音爆音量变小 或者变大 。去年夏天我们在爱德华空军基地的炎热干燥气候条件下测试。因为我们知道湿气能够使音爆更响亮，所以我们需要在一些更加潮湿的地方测试，肯尼迪中心正适合这个方案。”Haering说。

这些测试使用录音设备去捕捉湍流层上方和下方的噪声级别，收集音爆特征数据。这些数据会提供音爆穿过大气湍流前后的对比。



大气湍流可以影响音爆到达地面的方式，但是这些影响在湿润与干燥的气候条件下会有所不同。干燥条件下的大气湍流已经在位于加利福尼亚爱德华空军基地的NASA阿姆斯特朗飞行研究中心进行过，在一个更加湿润环境的后续测试就绪。在佛罗里达的NASA肯尼迪航天中心将会主持第二轮大气湍流飞行，以提供在湿润环境下进行研究试飞的能力。

图片来源：NASA Photo/ NASA Kennedy

为了完成这个任务，一架NASA阿姆斯特朗中心的F-18战机 会从肯尼迪航天飞机场起飞,并在32000英尺（约9753.6米）的海拔高度飞离卡纳维拉尔角海岸。这架F-18将沿着指定航道飞行，期间它将超过1马赫，即声速，并产生音爆。

与此同时，NASA也会派出一架配备翼尖麦克风的TG-14电动滑翔机在海拔4000到10000英尺（约1219.2到3048米）高度飞行，这个高度在低海拔湍流层的上方。在测试地点，TG-14将临时关闭它的马达并滑翔。这将消除任何不必要的噪声，以确保翼尖麦克风能够在音爆穿越任何湍流之前采集到一个纯粹而准确的音爆特征。

为了采集穿越湍流层的音爆特征，NASA协同合作伙伴伟乐实验室（Wyle Laboratories）和湾流航天（Gulfstream Aerospace）将在肯尼迪中心的地面上安置两个麦克风阵列，每个阵列包含16个用于采集数据的麦克风。

该项目旨在收集在三种不同条件下的数据，包括低湍流度、中湍流度和显著湍流度，以获取对这些变量如何影响音爆的更深入理解。为了监控这些条件，NASA气象学家将在现场用风速计测定风速，用声雷达风廓线仪测量低海拔风况，并用流量传感器测量因湿度引起的变化。

NASA计划从8月21日星期一开始每天试飞2-3次F-18，并预计在八月底或者九月初完成试飞，测试期间重点收集至少33次音爆的数据。

Haering说，尽管肯尼迪中心和卡纳维拉尔角空军基地附近的居民可能会听到在NASA中心上空产生的音爆，但是居民们完全不用担心。

“在我们的飞行高度，从飞机上产生的音爆从来都没危害过人类、动物或者建筑物，但是音爆可能会很吓人”，Haering说，“我们十分谨慎地计划我们的飞行，因此居住在诸如泰特斯维尔西部或者可可海滩南部大型居民区的人们几乎不可能被打扰到。居民们可能会听到从远处传来的类似于打雷的隆隆声。如果测试时的实际风况大大偏离预期，他们可能会听到类似于当航天飞机着陆时的音爆声，这样的声音会挺吓人，但是没必要担心。”

由于F-18的航道在太空海岸（Space Coast）东部的大西洋上空，一些位于肯尼迪中心北部属于卡纳维拉尔国家海滩（Canaveral National Seashore）的部分公共海滩可能会听到比周围区域更响亮的音爆。

“因为我们试图最小化对更大范围居民区的影响，在诸如普拉亚琳达（Playalinda）海滩玩耍的人们肯定会听到类似于航天飞机的轰鸣声”，Haering说，“不过我再说一次，不用担心。”

音爆之所以能够被听到，是因为飞机在大气中以高于声速的速度飞行时产生了激波。联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）即FAA，现在禁止超声速飞机在陆地上飞行，原因是先前飞过的超声速飞机产生既刺耳又令人崩溃的音爆。

但是，NASA在超声速飞行上的数十年研究已经为飞机实现了独特的气动设计以及技术上的进步，这些设计和进步能够减弱音爆并使其音量显著降低 。



NASA正在研究一架被称作低音爆飞行演示的试验机，简称LBFD，这种飞机能够以超音速飞行，而不产生声大扰民的音爆。NASA与洛克希德马丁公司合作完成了LBFD的初级设计方案回顾，于2017年6月实现了一个重要的里程碑。

图片来源：NASA/洛克希德马丁

2016年2月，NASA与洛克希德马丁签订了一个被称作低音爆飞行试验机 （Low-Boom Demonstration，LBFD）的安静超声速X-试验机初步设计合同。这项工作最近完成了一个成功的初步设计审查，NASA很快将通过一个新的合同竞争启动LBFD概念的下阶段研发。

第二阶段将会聚焦于飞机的细节设计和制造。一旦完成，目标将是在全国各地的居民区上方试飞X-试验机以测试并演示低音量 音爆声。这些飞行测试还会为FAA提供数据，以便为未来陆地上空超声速飞行制定潜在的噪声标准。

如果FAA建立基于音爆研究的新声音标准可以被公众接受，那么要实现超声速载客，大大节约商用航班飞行时间的商业飞行，也将会是近几年的事情了。

“通过极大地缩减航行时间，超音速飞行为改进生活质量提供了潜力”NASA商业超声技术（Commercial Supersonic Technology）项目经理彼得.科恩Peter Coen说。

在美国制造超声速飞机为航天和空中交通工业的发展以及高质量工作岗位提供潜力，这些都将为我们国家（指美国）的经济福利做出巨大贡献。

“更近一点地说，NASA对安静超声速飞行技术的发展需要社会的支持、兴趣和参与，以确保潜在的声音在地面上是可接受的，” 科恩Coen说。

在佛罗里达的大气湍流音爆飞行将标志着NASA航空和航天行动的一次罕见融合机会，对于肯尼迪中心而言，则表现了它向21世纪多用途航天港的转型。

“这说明了，作为NASA的成员，我们正在为同样的事情而奋斗，”大气湍流音爆测试项目经理Brett Pauer说“我们很愿意一起工作并在以后可能发生的任何NASA任务中互相帮助，不论是基于航天的任务——在这方面我们已经在我们的航空中心做了很多的工作，还是航天中心为我们的航空工作提供帮助。我想NASA的各个中心之间会有相当多的合作，它们甚至可能比我们想象的还要多。”

科恩补充说，“在我看来‘同一个NASA’是对这种合作精神最好的诠释，因为它让团队可以横跨NASA进行沟通，同时也能获取类似于大气湍流音爆测试从肯尼迪航天中心那里收到的帮助。”

（编辑：Monroe Conner 译者：凳凳 校核：暗黑步行者 审核：stereoX）

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