运输系统案例集/超音速飞行整合
本案例回顾了将超音速飞行整合到美国领空的挑战。这是亚历山大·默克和法里达·伊布拉欣的合作作品，他们在撰写本文时是乔治·梅森大学运输政策、运营和物流项目的在读研究生。以下案例集探讨了超音速商用飞行与将其重新整合到美国国家领空相关的关键参与者、政策挑战和历史。它作为乔治·梅森大学运输系统概论研究生课程的作业而制作，由乔纳森·吉福德博士讲授。
在2010年代初期，人们对商用超音速航空运输（SST）的兴趣重新燃起，因为技术的进步以及对私人和商务航空旅行不断增长的需求为更快、更长航程的飞机创造了一个市场细分。超音速航空旅行，即超过音速的飞行，与亚音速飞行相比具有显著的优势。协和式飞机，第一代超音速客机，仅需2个小时就能完成飞往伦敦的旅程，是其亚音速竞争对手完成旅程时间的1/3。超音速飞机的速度优势在私人和商务航空市场具有强大的吸引力，在这个市场中，节省时间是主要的拥有原因。[1]
然而，允许超音速飞机在美国领空以预期速度飞行会带来与半个多世纪前第一波超音速客机积极研发期间相同的挑战。超音速飞机面临的最重要的监管障碍是联邦航空管理局对民用飞机在美国领空进行超音速陆上飞行的禁令，该禁令是在第一波超音速客机研发期间于1973年颁布的。[2] 该禁令及其背后的公众认知仍然是将此类航空旅行整合到美国领空的障碍，此外，人们还担心这些飞机产生的污染对环境的影响会加剧公众认知问题。[3]
- Boom科技
- Aerion超音速
- Spike航空航天
- 波音公司
- 洛克希德·马丁公司
- 联邦航空管理局负责监管和监督美国领空，制定有关美国领空超音速飞行的规定。
- 除了研发超音速轰鸣减弱技术之外，美国国家航空航天局还对超音速飞行的影响进行研究。
- 反协和式飞机项目
- 清洁运输国际理事会
- 联合国机构，负责维护国际航空旅行标准。
1962年：英国和法国合并了研发工作，协和式飞机项目开始
1963年：苏联图-144的研发开始
1967年：美国超音速飞机项目选择波音2707作为其生产设计
1971年：美国超音速飞机项目被取消
1973年：联邦航空管理局禁止所有民用飞机在美国领空超过1马赫
1975年：图-144进入定期航班服务
1976年：协和式飞机开始定期航班服务
1983年：图-144退役
2003年：英国航空公司和法国航空公司退役协和式飞机
2006年：美国国家航空航天局开始其安静尖刺超音速轰鸣减弱测试项目
2018年：美国国家航空航天局开始建造QueSST超音速演示机
2018年：联邦航空管理局 (FAA) 实施了2018年再授权法案，该法案赋予联邦航空管理局 (FAA) 制定新联邦和国际政策以监管和认证安全高效的民用超音速飞机运营的权力和权威。
2020年：预计Boom Technologies XB-1 超音速演示机首飞
2021年：预计美国国家航空航天局 X-59 QueSST 超音速演示机首飞
2023年：Aerion AS-2 超音速商务机预计首飞日期
涉及超音速飞机的主要监管问题是其标志性的音爆。音爆可以定义为“当空气被以马赫 1 或以上的速度飞行的机身排开时，声波压缩产生的压力冲击波”。[4] 这种压力冲击波会导致巨大的“轰鸣声”，常被比作雷声。正因为如此，公众对联邦政府关于超音速飞机产生的音爆的压力很大。公众对超音速飞行的怀疑来自于这样一种信念，即超音速飞机将对公众健康有害，并损害财产。因此，联邦政府修改了现有的 1958 年《联邦航空法》，其中包括一项条款，赋予联邦航空管理局 (FAA) 将现有的民用亚音速飞机噪音标准扩展到民用超音速飞机的能力。因此，1968 年的《控制和减轻飞机噪音和音爆法》得以实施。[5] 然而，1973 年，联邦航空管理局禁止所有民用航空器在美国领空陆地上方突破声障 (马赫 1)。迄今为止，这项禁令仍然是美国商用超音速飞机的最大政策障碍。这主要是因为它限制了超音速飞机为广大地区提供服务以及扩展航线的可能性。
关于音爆及其对健康和财产影响的研究得出了关于音爆压力冲击波对一般人群影响的不确定测量结果。早在 20 世纪 50 年代，研究表明，音爆的影响很大程度上取决于飞机高度、大气条件和机身形状等因素。[6] 美国国家航空航天局发现，音爆最具物理特征的方面，即其特有的压力冲击波，在协和式飞机正常飞行条件下的测量值为 1.94 psf。这处于美国国家航空航天局分类为“罕见轻微损坏”的 2-5psf 的临界点，高于公众反应可见的 1.0 psf。然而，尚未发现低于 11 psf 的音爆会导致窗户破碎和其他结构性损坏。[6]
然而，关于超音速飞机影响的意见分歧导致了决策者和超音速飞行支持者之间多次争论。这导致了超音速飞机制造商和政府机构（如国际民用航空组织 (ICAO)）之间的持续对话。自 1973 年禁令颁布以来，航空航天行业和美国国家航空航天局的利益相关者一直在努力更好地理解音爆并寻找减轻音爆的方法。例如，美国国家航空航天局的安静尖头测试平台。[7]
随着人们对超音速运输技术的兴趣重新燃起，一项针对该技术的新的反击也随之出现。在一系列公告中，联邦航空管理局承诺承认超音速飞机和亚音速飞机之间的技术差异，并在评估噪音要求时将其考虑在内。[8] 这是该技术的一项重大成就，既表明音爆减轻技术的成熟，也表明人们对其影响的看法正在发生变化。
到目前为止，超音速航空和决策者之间的对话一直保持着开放和富有成效，因为联邦航空管理局等机构表示愿意在超音速飞机能够达到与其亚音速对应机型相当的声级的情况下修改现有政策。[9] 这标志着决策者趋势的转变，因为联邦航空管理局表示愿意重新审视这个问题，如果能提供充分的研究来支持超音速飞机不会对实物财产、环境或人体造成损害的立场，可能会解除禁令。
2019 年，专注于交通运输的环保组织国际清洁交通理事会发布了一份报告，概述了根据潜在制造商提出的当前机队预测，该技术对环境的潜在影响。[10] 这份报告的结论是，在超音速飞行路径最繁忙的地区，每天可能会听到多达 200 次音爆。预计在美国、英国和阿拉伯联合酋长国，这三种国家将是 2035 年该预测情景中最繁忙的国家。
与此同时，美国国家航空航天局和联邦航空管理局正在努力重新定义陆地超音速飞行的标准，并结束对这种航空旅行的禁令，相关研究也正在进行。[11] 美国国家航空航天局 X-59 超音速技术验证机的一个目标是建造一架能产生较小陆地音爆的超音速飞机。因此，X-59 被宣传为一架更安静的超音速飞机，其任务是征求公众对改装后产生的音爆影响的反馈，以重新开放美国领空对超音速飞行的使用。[12]
环境问题
[edit | edit source]对气候变化的担忧日益增加，导致社会对环境越来越重视。因此，环保组织反对将超音速运输机重新整合到国家领空。除了对音爆影响的担忧外，环保组织的另一个担忧是这些飞机产生的排放物，这些排放物可能导致平流层臭氧层耗损。[13]
美国国家科学院 1966 年的一项科学研究证实，超音速喷气飞机排放的废气对平流层有害，并可能加剧气候变化。研究表明，“水蒸气含量增加五倍将导致地表温度升高 2 摄氏度”。[14] 2019 年一项关于超音速商用航空碳排放影响的研究发现，超音速商用航空将导致碳排放大幅增加。[15]
此外，未来的诺贝尔奖获得者保罗·克鲁岑在 1972 年的一份报告中也发现，超音速运输发动机排放的氧化亚氮可能对臭氧层消耗产生重大影响。[16] 这项研究被用作反超音速飞机组织（如反协和式飞机项目）达成的环境协议的基础。[17] 克鲁岑关于臭氧层消耗的研究最终将导致对人类对气候变化影响的理解至关重要的研究，他也因此获得了诺贝尔奖。[18]
最近，国际清洁交通理事会 2019 年发布的一份关于超音速商用航空环境影响的报告发现，超音速商用航空将导致碳排放大幅增加。[19] 该研究确定，假设全球超音速飞机机队规模为 2000 架（如该技术支持者所提议），其碳足迹相当于 2017 年所有美国航空公司机队的总碳足迹的 59%。
碳足迹问题越来越受到人们的关注，因为各国政府和航空公司正在采取越来越积极的措施来减少航空旅行的碳排放。2016 年，负责国际航空标准的联合国机构国际民用航空组织制定了国际航空旅行碳排放减排计划。[20] 这些严格的标准可能会与商用超音速飞机的重新整合发生冲突，尽管该技术的开发商（如 Boom Technologies）声称，他们将使用生物燃料而不是煤油，这将对他们的碳排放产生缓解作用，其 XB-1 测试飞机是“历史上第一架零净碳足迹的超音速飞行” 。[21]
案例叙述
[edit | edit source]超音速飞机发展的浪潮
[edit | edit source]在 20 世纪 60 年代初期，航空公司和航空航天制造商认为超音速飞机将是未来航空旅行的趋势。为了在制造商和航空公司方面获得优势，英国、法国、苏联和美国都投资了开发和生产超音速客机的项目。[22] 英国和法国迅速合并了他们的努力，建立了合作伙伴关系，共同建造了英法协和式飞机。[23] 美国拥有庞大的制造基础，选择了两种竞争设计，以供政府进一步投资于名为 SST 计划的项目。[24] 苏联利用图波列夫设计局开发了他们的超音速运输机，图-144。[25]
1964 年，联邦航空管理局 (FAA) 批准了一系列在俄克拉荷马城进行的试飞。这些测试的目的是测量超音速轰鸣对环境的影响，以及它对地面平民会产生什么物理影响。[26] 这些实验存在争议，因为正是在这个阶段，集中在这些区域的居民开始对超音速发动机的响度及其对财产造成的损害表示担忧。[27] 许多人向政府提出索赔，要求对破损的窗户、破裂的瓷砖和其他财产损害进行赔偿。此外，还有大量关于噪音水平和相关雷声的投诉。这些经历极大地促成了公众舆论的形成，因为这个城市居民的经历继续在美国各地传播，影响着人们对超音速飞行的想法和意见。到 1966 年，反协和式飞机项目成立，以平衡航空航天行业关于协和式飞机项目技术和经济可行性的说法。这为那些持有类似观点的人提供了机会，让他们团结起来，共同反对协和式飞机。它成为了反对超音速航空旅行的最主要的群体之一，因为它召集了一组专家，发布有关超音速客机造成的巨大燃油消耗和音爆的信息。[17] 该项目还将公布关于协和式飞机经济性的事实；即该飞机无法盈利运营，而且完全由纳税人资金资助的研发成本永远无法收回。[28] 反协和式飞机项目利用这些信息游说航空航天行业，以经济和环境理由结束所有超音速运输项目。
面对其环境影响的严格审查以及美国航空公司向高容量亚音速飞机的转变，美国在 1971 年取消了其超音速客机计划 (SST)，当时原型机还没有试飞。[29] 由于该计划的取消，波音公司（SST 计划设计竞赛的获胜者）被迫解雇了超过 60,000 名员工。[30] 在 SST 计划结束不久后，联邦航空管理局在 1973 年禁止所有民用（非联邦）飞机在陆地上进行超音速飞行。[31] 该禁令至今仍然有效。[32]
尽管面临公众认知和航空经济的挑战，英法协和式飞机和苏联图-144 项目仍在继续。协和式飞机和图-144 在 1970 年代中期开始全面投入商业运营，实现了项目目标。然而，他们仍然面临着挑战。图-144 在 1971 年巴黎航展上发生了一起致命坠机事故，这表明它不适合客运航空旅行，因为其内部噪音水平高，可靠性问题严重。[33] 因此，苏联在不到十年后的 1983 年将图-144 从商业航空服务中退役。
在图-144 退役后，英法协和式飞机尽管面临公众认知和项目经济可行性的挑战，但仍然是唯一一种活跃的商业超音速飞机。协和式飞机的命运比图-144 好得多，一直服役到 2003 年。协和式飞机为英国 (英国航空公司) 和法国 (法航) 的国家旗舰航空公司提供服务，共有 14 架协和式飞机提供其国家首都与纽约市之间的跨大西洋超音速航空旅行。[34] 然而，协和式飞机并没有取得预期的商业成功。运营这种仅能容纳 100 名乘客的燃油效率低的飞机的经济成本被禁止在陆地上进行超音速旅行的禁令所加剧，该禁令消除了除欧洲以外的所有目的地。[35] 相比之下，协和式飞机的亚音速竞争对手波音 747 可容纳 660 名乘客，在纽约和伦敦之间进行等效飞行时，消耗的航空燃油量只有协和式飞机的一半。[36] 到 2000 年代，不断上涨的燃油和维护成本导致该飞机从两个机队中退役，从而结束了超音速商业航空旅行的时代。
对 SST 技术的持续投资
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尽管美国的 SST 计划被取消，但超音速飞机测试和研究并没有完全在美国被放弃。美国国家航空航天局继续研究设计的潜在演变，并通过提供对导致 SST 取消的设计挑战的潜在解决方案而对该事业做出了重大贡献。[37] 美国国家航空航天局通过其研究继续影响超音速运输的发展，并一直是超音速飞行研究的基本贡献者。这包括 1996 年与俄罗斯同行合作继续进行超音速运输开发，改装图-144 以进行试飞，这些试飞一直持续到 1999 年。[38] 最近，美国国家航空航天局通过“安静尖峰计划”研究了减轻音爆的技术，该计划在 F-15B 飞机上安装了一个改装的机头，以测试针对该问题的实验性结构解决方案。[7]
SST 开发的第二波
[edit | edit source]目前，为了应对企业对这类飞机的重新兴趣，美国国家航空航天局正在进行 X-59 静音超音速运输实验飞机的最后开发阶段，该飞机将展示用于民用超音速飞机的新技术和设计方法。[39] 该计划的总体目标是开发减轻音爆的技术，以允许超音速旅行在陆地上恢复。
除了政府对这项技术的倡议之外，私营企业对超音速航空旅行在私人和商务航空中的前景产生了浓厚的兴趣。在这些市场中，节省时间是购买的商品，超音速航空旅行的好处比现有飞机明显。目前最快的商务飞机，赛斯纳 Citation X+，最高速度为马赫 0.935，略低于音速。[40] 航空航天初创公司 Boom Technologies 和 Aerion Supersonic 认为，他们正在开发的超音速商务喷气机将填补这一市场空白。[41]
预计新的超音速运输演示机将于 2020 年代初进行首次测试。美国国家航空航天局开发、洛克希德·马丁公司生产的 X-59 计划于 2021 年进行首次飞行，而 Boom Technologies XB-1 预计将在 2020 年飞行。[42] [43] 同时，Aerion Supersonic 旨在到 2023 年生产和飞行其 AS-2 超音速商务喷气机，完全放弃了开发演示机的过程。[44] 除了 X-59 之外，所有这些设计都将依赖于撤销陆地超音速飞行禁令，才能进入市场。
联邦监管机构目前对在不久的将来废除超音速测试禁令持乐观态度。美国联邦航空管理局 (FAA) 目前正在制定超音速陆上飞行的标准，尽管他们不会直接废除禁令。[45] 这一规则制定过程将建立一个噪声认证程序，通过该程序，制造商需要在尚未确定的噪声标准下寻求其设计的批准。X-59 项目收集的数据将用于制定这些标准。此外，FAA 正在努力制定简化的超音速飞行授权审批流程，该流程将允许飞行员合法地飞过音速。[46] FAA 预计这两项监管变更将允许商业超音速飞行，而不会废除陆上禁令，而是通过明确的授权程序来提供此类飞行活动的流程。实质上，这是一种间接废除陆上超音速禁令的方式。
在美国之外，至少还有一个开发超音速运输机的项目。在日本，下一代超音速运输机项目自 2006 年起一直在积极开发中。[47] 该项目由日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 资助，旨在最终生产一种能容纳多达 50 名乘客的超音速飞机。如果该项目能在 2030 年前成功研制出商业飞机，那么它几乎肯定会飞越美国领空。
经验教训
[edit | edit source]展望未来，必须认识到公众认知的重要性及其对引导公共政策的影响。监管障碍在很大程度上是由于公众对超音速飞机影响的看法造成的，其中许多看法与对该主题的研究并不一致。超音速飞行重新融入美国领空的一个障碍仍然是禁止超音速客机在陆地上飞行的监管政策。这些现有的监管政策通过将超音速客机的飞行速度限制在特定跨洋航线上，阻碍了其成功。从过去的经验可以明显看出，如果没有公众的认可，超音速航空旅行将难以获得主流的成功。这个案例研究很好地说明了技术的发展如何受到政治和公众讨论的影响。在这种技术的情况下，其衰落的原因不是创新停滞，而是选民的错误信息导致的监管行动。目前，这种监管行动仍然是恢复该技术的一个障碍，而导致这种行动的公众认知迫使创新者对这些信念做出回应，投资于降噪技术。
除了现有的监管障碍外，消除这些障碍的过程可能会遭到环保组织以及那些对飞机噪音和音爆影响持观望态度的人的反对。在 20 世纪 60 年代，人们对排放影响和噪音问题的担忧在很大程度上促成了今天存在的监管障碍的形成。这些飞机的制造商和使用者在为间接解除 FAA 陆上超音速飞行限制进行辩护时，需要解决这些问题。这些问题已经出现在传统商业航空的全国性讨论中，“飞行羞耻”因航空旅行的排放而逐渐在欧洲流行起来，随着 FAA 实施其“下一代”空中交通管理系统，噪音投诉也随之激增。[48] [49]
虽然技术和公众认知方面的障碍仍然存在，阻碍了这些飞机重新融入国家领空，但很明显，FAA 和交通部支持放宽限制。尽管对这些飞机的投资正在不断增加，并且人们认为它们有商业可行性，但消除监管障碍是它们在美国市场上生存的最基本要求。因此，FAA 和交通部所表现出的明确兴趣，是这些飞机重新融入美国领空以及商业可行性的成功的关键指标。当然，重新融入还需要持续的噪音和环境影响缓解工作，这是该技术反对者最关注的两个问题。正如本案例研究中所述，政府和行业正在努力开发这两种问题的缓解技术，这很可能是放宽限制和成功重新融入的重要因素。因此，可以评估重新融入工作很可能成功，商业超音速飞机将在不久的将来在美国领空飞行。
讨论问题
[edit | edit source]- 决策者应该在多大程度上将公众对技术的认知纳入考量？
- 环境问题应该在多大程度上与运输技术的潜在经济效益相权衡？
- 还有哪些其他例子说明技术的开发因环境问题而被限制？
- 鉴于本案例研究中提出的证据，您认为应该废除陆上超音速飞行禁令吗？
指定阅读材料
[edit | edit source]乔治梅森大学墨卡托斯中心：让美国再次轰鸣：如何让超音速运输机卷土重来 (2016 年，39 页)
传统基金会：是时候让超音速飞行再次翱翔了 (2018 年，网络)
航空航天美国：超音速并非超级排放 (2019 年，网络)
国会研究服务处：超音速客机飞行 (2018 年，18 页)
国际清洁运输委员会：不受限制的商业超音速网络的噪音和气候影响 (2019 年，15 页)
参考资料
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