下一代超音速飞机是否需要音爆情境感知显示？安柏瑞德航空大学（Embry-Riddle Aeronautical University）航空学院副教授罗伯特·乔斯林博士认为有这个必要。
最近，民用超音速运输机（SST）的研发取得了显著进展，同时民航局也在制定相关法规，这一进展是自2003年协和飞机（Concorde）退役以来前所未有的。
尽管超音速飞行面临许多独特的挑战，如高空臭氧层消耗的氮氧化物排放和机场环境中喷气发动机噪音等，但音爆依旧是涉及技术、法规、公众接受度和市场营销最具挑战性的问题——特别是在美国境内，依据法规要求飞机超音速飞行产生的音爆不得对地面造成冲击。这一全面禁令适用于所有获得民航局批准的在特定空域内进行超音速飞行的飞机，无论是军用飞机还是民用飞机。值得注意的是，许多超音速飞行的应用项目得到了可以预测音爆冲击地面位置和冲击强度软件工具的支持。
如果下一代超音速运输机（例如 Boom Supersonic 的 Overture）要取得商业成功，它们必须得到公众的认可，并获准突破陆地上的音障。
Real-time awareness
实时感知
针对音爆问题的担忧可以通过要求驾驶舱显示器提供实时和预测性的音爆情境意识（SBSA）来缓解，从而确保飞行员能够获得有关飞行限制的信息使得超音速飞行不会对地面产生音爆冲击，进一步满足法规要求。此外，通过采用衰减/分布式音爆的飞机设及足够的支持数据，撤销禁止音爆冲击地面的禁令；通过修订相关法规，明确规定某些可接受的峰值过压扰动（以磅/平方英尺为单位）及其相关人体可能接受的反应（即感知水平[PLdB]的冲击声音）标准。飞行员利用显示器进行监控，通过调整飞机的飞行包线、飞行路径和飞机构型来进行控制。这与联邦法规14CFR Part 36/CS-36和14CFR Part 91-Subpart I条款下的噪声认证标准和操作限制有些相似，唯一的主要区别是：联邦法规14CFR Part 36/CS-36规定投入运行的亚音速飞机无要求在驾驶舱内安装飞机的噪声特征显示设备。因此，可通过程序来确保合规性（如起飞时的动力设定、飞机构型和爬升角度等）。
Dynamic environment
气动环境
Boom Supersonic 于 2024 年 7 月公布了其 Overture SST 的拟议驾驶舱配置。它配备了霍尼韦尔 Anthem 航空电子套件。
然而，超音速飞行中的气动环境变量会导致音爆特征的持续波动。因此，超音速飞机的飞行员必须保持对音爆的持续情境意识，以避免对人造物体（如建筑物、地震传感器和汽车报警器）、野生动物、环境（包括不稳定地形——如雪崩）或其他公众造成任何有害及不可接受后果与影响。
为支持音爆情境意识（SBSA）的驾驶舱显示设计要求需要考虑音爆的物理学原理。音爆包括飞机穿越音障（Mach 1）时初始过渡音爆及随后巡航飞行中的持续音爆。
音爆的主要特征包括强度（振幅）、铺展区域、方向性及可持续性。超音速飞行的飞机产生的冲击波在近场合并并最终向远场传播直达地面，产生冲击性的过压和可听见的声音。飞机的外部几何设计、飞机重量和即时飞行包线是决定近场的音爆主要因素，这些音爆合并后传播至远场。大气条件、地形和湍流激发了远场的特征，进而决定了音爆在地面铺展区域的几何形状及尺寸。
音爆会向四面八方辐射。在某些大气条件下，音爆可能会反射到上层大气，并传播成一个次级的“过顶音爆”，距离飞机较远的地方会形成一个或多个次级地面冲击区域。因风速、温度梯度，或者当超音速飞机进行轻微转弯时影响，音爆还可能会超出飞机实际飞行路径的方向传播到更远的地方。
此外，存在一种大气状态、飞行高度和马赫数的有利组合，可以实现所谓的音爆“截断”状态。这种现象出现在当音爆从飞机下方的飞行高度反射（折射）出去未能撞击地面时侯，此时的速度被称为马赫数截断速度，是飞机在巡航飞行中不会对地面产生可听到音爆所达到的最高速度。在标准大气条件下，这个速度可以高达约1.5马赫。在马赫数截断条件下，地面上听到的声音可能仅为低沉的类似远处的雷声或发动机的噪音的轰鸣声。
Variables
变量
日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 是众多研究未来超音速巡航机的机构之一。
音爆的传播路径和地面冲击区域会受到大气压力、温度、密度、湿度、湍流和风速等因素的影响。例如，湍流和/或地形可能会通过随机改变音爆能量的传播方向减弱音爆的振幅，而湿度和云层则可能衰减或分散音爆。
因此，在音爆感知系统的算法中应该考虑的实时变量，包括：飞机的轨迹（如速度、高度、俯冲角度、转弯、机动、加速度）、飞机外部设计几何形状/尺寸、飞机重量、飞机构型、大气条件（如温度、风速、湿度、高度、湍流）和地形/地貌。由于全球区域及局部天气/湍流随机性影响导致音爆对地面的影响具有不确定性，因此必须结合飞机数据与地形和气象模型来预测音爆的传播路径及地面影响的区域。
必须考虑的问题还有由于飞机产生的冲击波需要几分钟的时间才能向前传播并对音爆锥形区域的地面产生影响。因此，预测功能应该包括分析规划航迹的能力，将天气和地形数据纳入其中，以确定音爆的冲击位置和强度，从而使飞行计划能够有效且高效地执行。此外，系统应根据期望且可接受的音爆足迹来确定适当的航迹，同时为飞行员提供飞行中的引导和警告提示以帮助他们执飞最优航迹。另外，系统还应为空中交通管制员提供分析航班计划的能力，以便批准航班计划、监控飞行中的飞机并审查飞行数据进而满足相关法规要求。
理想情况下，音爆感知系统应与动态地图集成显示以展示当前的音爆足迹和最大马赫数和/或最低飞行高度，从而防止冲击波对地面的影响。除上述情况外，显示器还应具备展示基于当前飞行计划及任何修改后新航班计划预测音爆足迹的预览功能，并在主飞行显示器、导航显示器或抬头显示器（HUD）上提供飞行指引信息。尽管航空航天研究机构、航空电子设备供应商和民用超音速飞机制造商已在开发多种变体的音爆感知系统和驾驶舱显示系统，但制定音爆感知系统相关法规要求对确保民用超音速运输飞机在全球空域成功和安全运营至关重要。
文章摘自英国皇家航空学会会刊《Aerospace》
2024年11月刊
编译：唐笑亮，校对：梁皓
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