運輸系統案例集/超音速飛行整合
本案例回顧了將超音速飛行整合到美國領空的挑戰。這是亞歷山大·默克和法裡達·伊布拉欣的合作作品，他們在撰寫本文時是喬治·梅森大學運輸政策、運營和物流專案的在讀研究生。以下案例集探討了超音速商用飛行與將其重新整合到美國國家領空相關的關鍵參與者、政策挑戰和歷史。它作為喬治·梅森大學運輸系統概論研究生課程的作業而製作，由喬納森·吉福德博士講授。
在2010年代初期，人們對商用超音速航空運輸（SST）的興趣重新燃起，因為技術的進步以及對私人和商務航空旅行不斷增長的需求為更快、更長航程的飛機創造了一個市場細分。超音速航空旅行，即超過音速的飛行，與亞音速飛行相比具有顯著的優勢。協和式飛機，第一代超音速客機，僅需2個小時就能完成飛往倫敦的旅程，是其亞音速競爭對手完成旅程時間的1/3。超音速飛機的速度優勢在私人和商務航空市場具有強大的吸引力，在這個市場中，節省時間是主要的擁有原因。[1]
然而，允許超音速飛機在美國領空以預期速度飛行會帶來與半個多世紀前第一波超音速客機積極研發期間相同的挑戰。超音速飛機面臨的最重要的監管障礙是聯邦航空管理局對民用飛機在美國領空進行超音速陸上飛行的禁令，該禁令是在第一波超音速客機研發期間於1973年頒佈的。[2] 該禁令及其背後的公眾認知仍然是將此類航空旅行整合到美國領空的障礙，此外，人們還擔心這些飛機產生的汙染對環境的影響會加劇公眾認知問題。[3]
- Boom科技
- Aerion超音速
- Spike航空航天
- 波音公司
- 洛克希德·馬丁公司
- 聯邦航空管理局負責監管和監督美國領空，制定有關美國領空超音速飛行的規定。
- 除了研發超音速轟鳴減弱技術之外，美國國家航空航天局還對超音速飛行的影響進行研究。
- 反協和式飛機專案
- 清潔運輸國際理事會
- 聯合國機構，負責維護國際航空旅行標準。
1962年：英國和法國合併了研發工作，協和式飛機專案開始
1963年：蘇聯圖-144的研發開始
1967年：美國超音速飛機專案選擇波音2707作為其生產設計
1971年：美國超音速飛機專案被取消
1973年：聯邦航空管理局禁止所有民用飛機在美國領空超過1馬赫
1975年：圖-144進入定期航班服務
1976年：協和式飛機開始定期航班服務
1983年：圖-144退役
2003年：英國航空公司和法國航空公司退役協和式飛機
2006年：美國國家航空航天局開始其安靜尖刺超音速轟鳴減弱測試專案
2018年：美國國家航空航天局開始建造QueSST超音速演示機
2018年：聯邦航空管理局 (FAA) 實施了2018年再授權法案，該法案賦予聯邦航空管理局 (FAA) 制定新聯邦和國際政策以監管和認證安全高效的民用超音速飛機運營的權力和權威。
2020年：預計Boom Technologies XB-1 超音速演示機首飛
2021年：預計美國國家航空航天局 X-59 QueSST 超音速演示機首飛
2023年：Aerion AS-2 超音速商務機預計首飛日期
涉及超音速飛機的主要監管問題是其標誌性的音爆。音爆可以定義為“當空氣被以馬赫 1 或以上的速度飛行的機身排開時，聲波壓縮產生的壓力衝擊波”。[4] 這種壓力衝擊波會導致巨大的“轟鳴聲”，常被比作雷聲。正因為如此，公眾對聯邦政府關於超音速飛機產生的音爆的壓力很大。公眾對超音速飛行的懷疑來自於這樣一種信念，即超音速飛機將對公眾健康有害，並損害財產。因此，聯邦政府修改了現有的 1958 年《聯邦航空法》，其中包括一項條款，賦予聯邦航空管理局 (FAA) 將現有的民用亞音速飛機噪音標準擴充套件到民用超音速飛機的能力。因此，1968 年的《控制和減輕飛機噪音和音爆法》得以實施。[5] 然而，1973 年，聯邦航空管理局禁止所有民用航空器在美國領空陸地上方突破聲障 (馬赫 1)。迄今為止，這項禁令仍然是美國商用超音速飛機的最大政策障礙。這主要是因為它限制了超音速飛機為廣大地區提供服務以及擴充套件航線的可能性。
關於音爆及其對健康和財產影響的研究得出了關於音爆壓力衝擊波對一般人群影響的不確定測量結果。早在 20 世紀 50 年代，研究表明，音爆的影響很大程度上取決於飛機高度、大氣條件和機身形狀等因素。[6] 美國國家航空航天局發現，音爆最具物理特徵的方面，即其特有的壓力衝擊波，在協和式飛機正常飛行條件下的測量值為 1.94 psf。這處於美國國家航空航天局分類為“罕見輕微損壞”的 2-5psf 的臨界點，高於公眾反應可見的 1.0 psf。然而，尚未發現低於 11 psf 的音爆會導致窗戶破碎和其他結構性損壞。[6]
然而，關於超音速飛機影響的意見分歧導致了決策者和超音速飛行支持者之間多次爭論。這導致了超音速飛機制造商和政府機構（如國際民用航空組織 (ICAO)）之間的持續對話。自 1973 年禁令頒佈以來，航空航天行業和美國國家航空航天局的利益相關者一直在努力更好地理解音爆並尋找減輕音爆的方法。例如，美國國家航空航天局的安靜尖頭測試平臺。[7]
隨著人們對超音速運輸技術的興趣重新燃起，一項針對該技術的新的反擊也隨之出現。在一系列公告中，聯邦航空管理局承諾承認超音速飛機和亞音速飛機之間的技術差異，並在評估噪音要求時將其考慮在內。[8] 這是該技術的一項重大成就，既表明音爆減輕技術的成熟，也表明人們對其影響的看法正在發生變化。
到目前為止，超音速航空和決策者之間的對話一直保持著開放和富有成效，因為聯邦航空管理局等機構表示願意在超音速飛機能夠達到與其亞音速對應機型相當的聲級的情況下修改現有政策。[9] 這標誌著決策者趨勢的轉變，因為聯邦航空管理局表示願意重新審視這個問題，如果能提供充分的研究來支援超音速飛機不會對實物財產、環境或人體造成損害的立場，可能會解除禁令。
2019 年，專注於交通運輸的環保組織國際清潔交通理事會發布了一份報告，概述了根據潛在製造商提出的當前機隊預測，該技術對環境的潛在影響。[10] 這份報告的結論是，在超音速飛行路徑最繁忙的地區，每天可能會聽到多達 200 次音爆。預計在美國、英國和阿拉伯聯合大公國，這三種國家將是 2035 年該預測情景中最繁忙的國家。
與此同時，美國國家航空航天局和聯邦航空管理局正在努力重新定義陸地超音速飛行的標準，並結束對這種航空旅行的禁令，相關研究也正在進行。[11] 美國國家航空航天局 X-59 超音速技術驗證機的一個目標是建造一架能產生較小陸地音爆的超音速飛機。因此，X-59 被宣傳為一架更安靜的超音速飛機，其任務是徵求公眾對改裝後產生的音爆影響的反饋，以重新開放美國領空對超音速飛行的使用。[12]
環境問題
[edit | edit source]對氣候變化的擔憂日益增加，導致社會對環境越來越重視。因此，環保組織反對將超音速運輸機重新整合到國家領空。除了對音爆影響的擔憂外，環保組織的另一個擔憂是這些飛機產生的排放物，這些排放物可能導致平流層臭氧層耗損。[13]
美國國家科學院 1966 年的一項科學研究證實，超音速噴氣飛機排放的廢氣對平流層有害，並可能加劇氣候變化。研究表明，“水蒸氣含量增加五倍將導致地表溫度升高 2 攝氏度”。[14] 2019 年一項關於超音速商用航空碳排放影響的研究發現，超音速商用航空將導致碳排放大幅增加。[15]
此外，未來的諾貝爾獎獲得者保羅·克魯岑在 1972 年的一份報告中也發現，超音速運輸發動機排放的氧化亞氮可能對臭氧層消耗產生重大影響。[16] 這項研究被用作反超音速飛機組織（如反協和式飛機專案）達成的環境協議的基礎。[17] 克魯岑關於臭氧層消耗的研究最終將導致對人類對氣候變化影響的理解至關重要的研究，他也因此獲得了諾貝爾獎。[18]
最近，國際清潔交通理事會 2019 年釋出的一份關於超音速商用航空環境影響的報告發現，超音速商用航空將導致碳排放大幅增加。[19] 該研究確定，假設全球超音速飛機機隊規模為 2000 架（如該技術支持者所提議），其碳足跡相當於 2017 年所有美國航空公司機隊的總碳足跡的 59%。
碳足跡問題越來越受到人們的關注，因為各國政府和航空公司正在採取越來越積極的措施來減少航空旅行的碳排放。2016 年，負責國際航空標準的聯合國機構國際民用航空組織制定了國際航空旅行碳排放減排計劃。[20] 這些嚴格的標準可能會與商用超音速飛機的重新整合發生衝突，儘管該技術的開發商（如 Boom Technologies）聲稱，他們將使用生物燃料而不是煤油，這將對他們的碳排放產生緩解作用，其 XB-1 測試飛機是“歷史上第一架零淨碳足跡的超音速飛行” 。[21]
案例敘述
[edit | edit source]超音速飛機發展的浪潮
[edit | edit source]在 20 世紀 60 年代初期，航空公司和航空航天製造商認為超音速飛機將是未來航空旅行的趨勢。為了在製造商和航空公司方面獲得優勢，英國、法國、蘇聯和美國都投資了開發和生產超音速客機的專案。[22] 英國和法國迅速合併了他們的努力，建立了合作伙伴關係，共同建造了英法協和式飛機。[23] 美國擁有龐大的製造基礎，選擇了兩種競爭設計，以供政府進一步投資於名為 SST 計劃的專案。[24] 蘇聯利用圖波列夫設計局開發了他們的超音速運輸機，圖-144。[25]
1964 年，聯邦航空管理局 (FAA) 批准了一系列在俄克拉荷馬城進行的試飛。這些測試的目的是測量超音速轟鳴對環境的影響，以及它對地面平民會產生什麼物理影響。[26] 這些實驗存在爭議，因為正是在這個階段，集中在這些區域的居民開始對超音速發動機的響度及其對財產造成的損害表示擔憂。[27] 許多人向政府提出索賠，要求對破損的窗戶、破裂的瓷磚和其他財產損害進行賠償。此外，還有大量關於噪音水平和相關雷聲的投訴。這些經歷極大地促成了公眾輿論的形成，因為這個城市居民的經歷繼續在美國各地傳播，影響著人們對超音速飛行的想法和意見。到 1966 年，反協和式飛機專案成立，以平衡航空航天行業關於協和式飛機專案技術和經濟可行性的說法。這為那些持有類似觀點的人提供了機會，讓他們團結起來，共同反對協和式飛機。它成為了反對超音速航空旅行的最主要的群體之一，因為它召集了一組專家，釋出有關超音速客機造成的巨大燃油消耗和音爆的資訊。[17] 該專案還將公佈關於協和式飛機經濟性的事實；即該飛機無法盈利運營，而且完全由納稅人資金資助的研發成本永遠無法收回。[28] 反協和式飛機專案利用這些資訊遊說航空航天行業，以經濟和環境理由結束所有超音速運輸專案。
面對其環境影響的嚴格審查以及美國航空公司向高容量亞音速飛機的轉變，美國在 1971 年取消了其超音速客機計劃 (SST)，當時原型機還沒有試飛。[29] 由於該計劃的取消，波音公司（SST 計劃設計競賽的獲勝者）被迫解僱了超過 60,000 名員工。[30] 在 SST 計劃結束不久後，聯邦航空管理局在 1973 年禁止所有民用（非聯邦）飛機在陸地上進行超音速飛行。[31] 該禁令至今仍然有效。[32]
儘管面臨公眾認知和航空經濟的挑戰，英法協和式飛機和蘇聯圖-144 專案仍在繼續。協和式飛機和圖-144 在 1970 年代中期開始全面投入商業運營，實現了專案目標。然而，他們仍然面臨著挑戰。圖-144 在 1971 年巴黎航展上發生了一起致命墜機事故，這表明它不適合客運航空旅行，因為其內部噪音水平高，可靠性問題嚴重。[33] 因此，蘇聯在不到十年後的 1983 年將圖-144 從商業航空服務中退役。
在圖-144 退役後，英法協和式飛機儘管面臨公眾認知和專案經濟可行性的挑戰，但仍然是唯一一種活躍的商業超音速飛機。協和式飛機的命運比圖-144 好得多，一直服役到 2003 年。協和式飛機為英國 (英國航空公司) 和法國 (法航) 的國家旗艦航空公司提供服務，共有 14 架協和式飛機提供其國家首都與紐約市之間的跨大西洋超音速航空旅行。[34] 然而，協和式飛機並沒有取得預期的商業成功。運營這種僅能容納 100 名乘客的燃油效率低的飛機的經濟成本被禁止在陸地上進行超音速旅行的禁令所加劇，該禁令消除了除歐洲以外的所有目的地。[35] 相比之下，協和式飛機的亞音速競爭對手波音 747 可容納 660 名乘客，在紐約和倫敦之間進行等效飛行時，消耗的航空燃油量只有協和式飛機的一半。[36] 到 2000 年代，不斷上漲的燃油和維護成本導致該飛機從兩個機隊中退役，從而結束了超音速商業航空旅行的時代。
對 SST 技術的持續投資
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儘管美國的 SST 計劃被取消，但超音速飛機測試和研究並沒有完全在美國被放棄。美國國家航空航天局繼續研究設計的潛在演變，並透過提供對導致 SST 取消的設計挑戰的潛在解決方案而對該事業做出了重大貢獻。[37] 美國國家航空航天局透過其研究繼續影響超音速運輸的發展，並一直是超音速飛行研究的基本貢獻者。這包括 1996 年與俄羅斯同行合作繼續進行超音速運輸開發，改裝圖-144 以進行試飛，這些試飛一直持續到 1999 年。[38] 最近，美國國家航空航天局透過“安靜尖峰計劃”研究了減輕音爆的技術，該計劃在 F-15B 飛機上安裝了一個改裝的機頭，以測試針對該問題的實驗性結構解決方案。[7]
SST 開發的第二波
[edit | edit source]目前，為了應對企業對這類飛機的重新興趣，美國國家航空航天局正在進行 X-59 靜音超音速運輸實驗飛機的最後開發階段，該飛機將展示用於民用超音速飛機的新技術和設計方法。[39] 該計劃的總體目標是開發減輕音爆的技術，以允許超音速旅行在陸地上恢復。
除了政府對這項技術的倡議之外，私營企業對超音速航空旅行在私人和商務航空中的前景產生了濃厚的興趣。在這些市場中，節省時間是購買的商品，超音速航空旅行的好處比現有飛機明顯。目前最快的商務飛機，賽斯納 Citation X+，最高速度為馬赫 0.935，略低於音速。[40] 航空航天初創公司 Boom Technologies 和 Aerion Supersonic 認為，他們正在開發的超音速商務噴氣機將填補這一市場空白。[41]
預計新的超音速運輸演示機將於 2020 年代初進行首次測試。美國國家航空航天局開發、洛克希德·馬丁公司生產的 X-59 計劃於 2021 年進行首次飛行，而 Boom Technologies XB-1 預計將在 2020 年飛行。[42] [43] 同時，Aerion Supersonic 旨在到 2023 年生產和飛行其 AS-2 超音速商務噴氣機，完全放棄了開發演示機的過程。[44] 除了 X-59 之外，所有這些設計都將依賴於撤銷陸地超音速飛行禁令，才能進入市場。
聯邦監管機構目前對在不久的將來廢除超音速測試禁令持樂觀態度。美國聯邦航空管理局 (FAA) 目前正在制定超音速陸上飛行的標準，儘管他們不會直接廢除禁令。[45] 這一規則制定過程將建立一個噪聲認證程式，透過該程式，製造商需要在尚未確定的噪聲標準下尋求其設計的批准。X-59 專案收集的資料將用於制定這些標準。此外，FAA 正在努力制定簡化的超音速飛行授權審批流程，該流程將允許飛行員合法地飛過音速。[46] FAA 預計這兩項監管變更將允許商業超音速飛行，而不會廢除陸上禁令，而是透過明確的授權程式來提供此類飛行活動的流程。實質上，這是一種間接廢除陸上超音速禁令的方式。
在美國之外，至少還有一個開發超音速運輸機的專案。在日本，下一代超音速運輸機專案自 2006 年起一直在積極開發中。[47] 該專案由日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA) 資助，旨在最終生產一種能容納多達 50 名乘客的超音速飛機。如果該專案能在 2030 年前成功研製出商業飛機，那麼它幾乎肯定會飛越美國領空。
經驗教訓
[edit | edit source]展望未來，必須認識到公眾認知的重要性及其對引導公共政策的影響。監管障礙在很大程度上是由於公眾對超音速飛機影響的看法造成的，其中許多看法與對該主題的研究並不一致。超音速飛行重新融入美國領空的一個障礙仍然是禁止超音速客機在陸地上飛行的監管政策。這些現有的監管政策透過將超音速客機的飛行速度限制在特定跨洋航線上，阻礙了其成功。從過去的經驗可以明顯看出，如果沒有公眾的認可，超音速航空旅行將難以獲得主流的成功。這個案例研究很好地說明了技術的發展如何受到政治和公眾討論的影響。在這種技術的情況下，其衰落的原因不是創新停滯，而是選民的錯誤資訊導致的監管行動。目前，這種監管行動仍然是恢復該技術的一個障礙，而導致這種行動的公眾認知迫使創新者對這些信念做出回應，投資於降噪技術。
除了現有的監管障礙外，消除這些障礙的過程可能會遭到環保組織以及那些對飛機噪音和音爆影響持觀望態度的人的反對。在 20 世紀 60 年代，人們對排放影響和噪音問題的擔憂在很大程度上促成了今天存在的監管障礙的形成。這些飛機的製造商和使用者在為間接解除 FAA 陸上超音速飛行限制進行辯護時，需要解決這些問題。這些問題已經出現在傳統商業航空的全國性討論中，“飛行羞恥”因航空旅行的排放而逐漸在歐洲流行起來，隨著 FAA 實施其“下一代”空中交通管理系統，噪音投訴也隨之激增。[48] [49]
雖然技術和公眾認知方面的障礙仍然存在，阻礙了這些飛機重新融入國家領空，但很明顯，FAA 和交通部支援放寬限制。儘管對這些飛機的投資正在不斷增加，並且人們認為它們有商業可行性，但消除監管障礙是它們在美國市場上生存的最基本要求。因此，FAA 和交通部所表現出的明確興趣，是這些飛機重新融入美國領空以及商業可行性的成功的關鍵指標。當然，重新融入還需要持續的噪音和環境影響緩解工作，這是該技術反對者最關注的兩個問題。正如本案例研究中所述，政府和行業正在努力開發這兩種問題的緩解技術，這很可能是放寬限制和成功重新融入的重要因素。因此，可以評估重新融入工作很可能成功，商業超音速飛機將在不久的將來在美國領空飛行。
討論問題
[edit | edit source]- 決策者應該在多大程度上將公眾對技術的認知納入考量？
- 環境問題應該在多大程度上與運輸技術的潛在經濟效益相權衡？
- 還有哪些其他例子說明技術的開發因環境問題而被限制？
- 鑑於本案例研究中提出的證據，您認為應該廢除陸上超音速飛行禁令嗎？
指定閱讀材料
[edit | edit source]喬治梅森大學墨卡託斯中心：讓美國再次轟鳴：如何讓超音速運輸機捲土重來 (2016 年，39 頁)
傳統基金會：是時候讓超音速飛行再次翱翔了 (2018 年，網路)
航空航天美國：超音速並非超級排放 (2019 年，網路)
國會研究服務處：超音速客機飛行 (2018 年，18 頁)
國際清潔運輸委員會：不受限制的商業超音速網路的噪音和氣候影響 (2019 年，15 頁)
參考資料
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