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为打造"科学·科普·科幻"特色校园文化品牌，由南方科技大学教授会、宣传与公共关系部联合发起编撰的《十万个高科技为什么（第二辑）》于年11月13日正式发布。寒假期间，南科大官微将对其进行系列科普连载，让大家在节假日也涨知识。
飞机能“静音”飞行吗
人类文明在发展，生活越来越美好，但是也有不和谐之音，其中噪声是影响人们身心健康和生活质量的主要污染源之一。
乘坐过飞机或者去过机场附近的朋友肯定知道，飞机飞行的时候一点都不安静，直升机的螺旋桨高速旋转时，噪声更大。目前，随着全球航空业的迅猛发展，飞机噪声已经成为一个日益严峻的环境问题。和地面交通噪声不同，飞机在高空飞行，因此很难对其噪声进行有效的屏蔽和阻隔。
飞机噪声究竟会产生多么严重的影响呢？
让我们从“协和号”（Concorde）超音速飞机的故事说起。“协和号”是全球航空爱好者心中难以超越的一个传奇，它是由法国航空公司和英国航空公司联合研制的一款中程超音速客机，和苏联图波列夫（Tupolev）设计局的“图-”同为世界上少数曾投入商业使用的超音速客机。“协和号”飞机在年首飞，年投入服务，主要用于执行从伦敦和巴黎往返于纽约的跨大西洋定期航线。它能够在m的高空以两倍音速巡航，从伦敦飞到纽约只需不到3.5h，比普通民航客机节省超过一半时间。而且因为伦敦与纽约的时差为5h，所以搭乘“协和号”的旅客最喜欢说的一句话是：“我还没出发就已经到了。”
但是，“协和号”飞机最大的问题之一是噪声特别大。
首先是超音速飞行时产生的声爆（sonicboom，图4-25）传到地面时会让人感受到短暂且极其强烈的爆炸声，这足以震得玻璃哗哗响；另外，为了突破声障（soundbarrier），大推力发动机也会产生巨大的轰鸣声。
因为噪声过大，遭到民众的强烈抗议，“协和号”被禁止在人口稠密的陆地上空超音速飞行，很多机场都拒绝“协和号”飞机起降，这也大幅度限制了它的适用航线。可以这么说，噪声太大是导致“协和号”停产并在年全部退役的关键因素之一。
图4-25“协和号”客机在超音速飞行时产生的声爆云
即便是普通客机，也不能忽视其噪声影响。目前国际民用航空组织、美国联邦航空局和中国民用航空局等航空管制机构均对民用飞机噪声指标做出了明确规定，满足噪声标准是民用飞机取得适航证并投入航线运营的基本条件之一。在航空史上，很多飞机因不能满足适航标准而不得不进行改进或停飞，除了上文介绍的“协和号”外，—年，世界各国有多架飞机因噪声问题而停飞。为此，波音公司不得不对架波音的发动机进行工程修改，使飞机的成本增加了1%左右。此外，机场对于不满足噪声要求的飞机或不允许其起降，或处以高额的罚款，这又增加了飞机运营的成本。
那么飞机的噪声是如何产生的？
有什么办法可以降低甚至消除噪声呢？
飞机噪声不同于我们熟知的弹性物体的振动发声，它主要来自飞机高速飞行时的湍流运动，或者湍流与飞机表面相互作用产生的气动噪声（aerodynamicnoise）。
湍流运动包含大量受力剧烈变化的气团，湍流也会在物体表面产生强烈的压力脉动，这些脉动力反作用于周围气体，在空气中产生声波并传播到远方。
根据发声部位不同，飞机噪声可以分为两大类：发动机噪声（aero-enginenoise）和机体噪声（airframenoise）。
其中，发动机噪声主要来自喷流、风扇、压气机、燃烧室和涡轮，而机体噪声则主要来自机翼增升装置（缝翼、襟翼）和起落架（图4-26）。发动机噪声一直是飞机噪声的主要来源，特别是早期的涡喷发动机。值得注意的是，在飞机降落和进场阶段，机体噪声会接近甚至超过发动机的噪声水平。这是因为飞机减速飞行时，发动机处于节油的低功率工作状态，而同时增升装置和起落架则需要全部打开。
图4-26飞机起飞时的主要噪声源分布
一般来说，飞行速度越低、距离越远，噪声影响就越小，这也是飞机降噪的基本思路。在研究人员的不懈努力下，飞机噪声相比半个世纪前已经降低了30dB以上，这相当于其声能量不到之前的千分之一。
如此显著的降噪成果主要得益于两方面：一是高性能涡扇发动机的出现使得喷流速度大大降低，这极大地削弱了普通涡喷发动机产生的噪声；二是在发动机短舱内表面安装的消声衬（noisesuppressionliner）可以在声音传播途径上进行吸声降噪。此外，研究人员也针对机体噪声提出了许多降噪方法，例如：缝翼凹腔填充和遮盖，缝翼尾缘的毛刷和梳齿；襟翼侧缘的障板、多孔材料和毛刷，连续襟翼消除侧缘；起落架的整流罩以及开槽和弹性整流罩；等等。这些方法虽然有效，但会减弱飞机的气动性能，属于头痛医头、脚痛医脚的思路，没有从全局出发综合考虑飞机的气动和声学性能，难以取得较大的降噪效果。
那么，有没有在飞机研发阶段就集成了声学降噪思想的整机设计呢？
笔者曾经有幸参与的“静音飞机预案”（SilentAircraftInitiative）就基于这样的理念，它以低噪声为首要设计目标，同时兼顾了气动性能和经济性。此项目由剑桥大学和麻省理工学院联合主持，并有罗尔斯-罗伊斯、波音、美国国家航空航天局（NASA）等业界资深机构的深度参与。
“静音飞机”概念机SAX-40采用的降噪技术体现在机身设计、发动机设计、发动机/机身集成和操作方式四方面（图4-27）。
图4-27“静音飞机”概念机SAX-40及其采用的主要降噪技术
机身设计方面：采用翼身融合（blendedwingbody，BWB）设计，以改善飞机的低速性能；前缘下弯可提供高升力且无前缘缝翼噪声，取消襟翼相当于消除了一个主要的机体噪声源；一对分开的升降副翼（elevon）在飞机进场时打开，并展开尾缘毛刷以降低机翼噪声；整流的起落架及部分密封的起落架轮轴和机轮降低了起落架噪声。
发动机设计与发动机/机身集成方面：内埋的推进系统通过机身的屏蔽消除了发动机的前向噪声；分布式推进（distributedpropulsion）允许使用小直径风扇和在发动机前后使用延伸式消声衬；可调矢量尾喷管使得尾喷管在进场时能完全打开，从而获得超低发动机转速和理想的推力，并降低了后向风扇噪声。
此外，操作方式方面的主要措施是增大接近角（approachangle），并将着陆点内移，从而提高在机场周边的飞行高度，通过改善低速性能来降低飞行速度，同时对起飞时的推力进行优化管理，将噪声维持在较低水平。
“静音飞机”是否真的能实现静音飞行呢？
研究结果表明，SAX-40大大降低了起飞和降落时的噪声，在机场周边的加权平均噪声水平值仅为63dB，相当于普通洗衣机运转时的噪声，也低于普通机场的日间环境噪声水平。绝对的静音虽然无法实现，但机场附近的居民根本感觉不到SAX-40的噪声，因此在一定程度上实现了“静音”飞行。
总之，人们对于静音飞行的追求一直没有停止，蓬勃发展的电推进技术有望在不远的将来实现低噪声甚至静音飞行。全球航空企业也没有放弃超音速飞机概念以及对新一代超音速客机的探索和研究，例如美国超音速航空国际公司与洛克希德·马丁公司正在研制的“静音超音速飞机”。如果能在静音超音速飞行的关键性技术方面有所突破，我们将有希望在未来再现“协和号”超音速客机的辉煌，静音超音速飞行的梦想将变为现实。
作者介绍
刘宇
南方科技大学力学与航空航天工程系副教授。北京航空航天大学硕士，英国剑桥大学航空工程博士。曾任美国伊利诺伊大学厄巴纳一香槟分校和剑桥大学博士后研究员、英国萨里大学航空工程助理教授。曾获剑桥盖茨学者奖学金，年被选为英国高等教育学会会士、美国航空航天学会资深会员，年入选英国皇家航空学会会士。