经过洛克希德·马丁臭鼬工厂九年的设计、制造、组装和测试，美国国家航空航天局(NASA)的复合材料密集型X-59 QueSST实验飞机将于2022年底首次飞行。

X-59 QueSST飞机设计图

商业超音速航空旅行有望使乘客或货物的运输速度达到当今航班的两倍。然而，最大的障碍之一一直是雷鸣般的音爆，这是由飞机周围高压下的空气位移引起的，飞机的飞行速度超过了音速。由于这种噪音干扰，自1973年以来，美国联邦航空管理局(FAA)一直禁止飞行速度超过1马赫(音速)的陆上民用飞机。

美国国家航空航天局（美国华盛顿特区）通过其低空飞行演示项目，旨在通过开发一种旨在大幅降低音爆噪音水平的实验X飞机，为陆上商业超音速航空旅行铺平道路。这架名为X-59静音超音速技术(QueSST-Quiet SuperSonic Technology)飞机的飞机将飞越美国的选定城市，美国国家航空航天局将在那里进行社区反应研究，以获取有关声级和社区反应的数据。目标是让这些数据有助于为美国联邦航空局等监管机构提供信息，因为它制定了新的可接受的噪音标准，以便在不久的将来实现陆上商业旅行。

X-59是与合作伙伴洛克希德·马丁臭鼬工厂(美国加利福尼亚州帕姆代尔)共同开发的一款有人驾驶的实验飞机，几乎准备好在今年晚些时候进行首次飞行测试。预计它的飞行速度将达到1.4马赫（约每小时1074英里），同时将音爆降低到美国国家航空航天局所说的声波“砰砰”，主要是通过飞机独特的形状实现的。X-59的长而窄的机头和由碳纤维增强复合材料制成的三角形机翼旨在传播超音速冲击波，从而减少地面上听到的声音。发动机也放置在机翼上方，以进一步降低噪音。

设计过程：需求和多团队数字设计

洛克希德·马丁公司的臭鼬工厂以开发创新的一次性和原型飞机而闻名，包括之前为美国国家航空航天局开发的几架X飞机。洛克希德·马丁臭鼬工厂X-59的高级航空工程师吉恩·福尔索姆(Gene Folsom)说：“制造一次性、原型和X飞机，这是我们的遗产。我们已经做了很长时间了，我们这里的文化使我们作为工程师能够有广泛的理解；我们都擅长自己加工零件。我们每个人的手上都有伤口，指甲下都有树脂。”

该公司在X-59上的工作始于2013年，当时洛克希德赢得了美国国家航空航天局的项目合同。美国国家航空航天局设定了各种空气动力学、机械和其他要求—飞机需要达到的高度、在空中的时间、机动能力等—但每种设计选择的驱动因素都是需要小于75分贝的音爆特征，或者大约是汽车车门砰砰作响的响度。据美国国家航空航天局称，典型的音爆可以超过110分贝，大约相当于雷声的响度。

美国国家航空航天局(NASA)X-59复合材料密集型超音速飞机实现商业超音速航空旅行。X-59的目的是验证是否有可能建造一架超音速飞机，为陆上旅行达到可接受的音爆水平。美国国家航空航天局希望X-59的飞行和感知测试将制定新的法规，允许陆上超音速航空旅行，并且X-59的设计将有助于为未来的商用飞机设计提供信息。

洛克希德·马丁臭鼬工厂X-59项目总监大卫·理查森(David Richardson)解释说，洛克希德是最合适的，部分原因是他的团队开发了一种预测代码，可以根据所需的音爆水平虚拟生成飞机的最佳形状。他说：“我们实际上可以控制和预测音爆的响度。”。

洛克希德·马丁臭鼬工厂X-59飞行器负责人迈克尔·布奥纳诺(Michael Buonanno)博士解释了设计方法：“我们研究了建造X-59的不同方法，不仅包括不同的材料，还包括零件本身的类型。我们研究了飞机应该能飞多快，甚至在一段时间内，还考虑了X-59是否应该是无人驾驶飞机。”这架飞机最终是为飞行员设计的，以确保在飞机执行超音速飞行任务并在美国大陆上空飞行时，能够更好更快地做出现场决策。布奥纳诺指出，虽然X-59将以1.4马赫的速度飞行，这是飞机的极限。通用电气F414发动机，未来低噪音客机的目标速度为1.6马赫。

设计成果

X-59的细长机头、发动机和进气道位置以及其他功能旨在“重塑”飞机飞行过程中发生的冲击波，从而产生安静的声波“砰砰”声。

鼻部较重的设计导致了以复合材料为主的上半部分和机翼，而下半部分则以金属为主。

CFRP机翼蒙皮由洛克希德·马丁公司通过AFP制造。其他组件由合作伙伴制造，并由洛克希德公司组装。

福尔索姆补充说，与商业客运飞机不同，，刚度是设计的关键力学要求。“大多数飞机—战斗机、货机—们的设计都非常坚固，可以携带大量有效载荷。好吧，对于X-59来说，你没有这个。这实际上是一种刚度驱动的设计，而不是强度驱动的设计。这意味着我们在飞行过程中对机翼、机头或任何控制面的任何偏转都非常敏感—如果我们遇到湍流颠簸，或者我们故意转弯等等。”理查森补充说，由于只会建造一架X-59，团队不得不对机械要求进行过度设计，以消除任何出错的机会，并确保飞机在机身寿命期间能够满足所有负载要求。

为了优化飞机设计，洛克希德·马丁臭鼬工厂的许多团队在七个月的时间里进行了合作：空气动力学、音爆专家、负载、压力、设计。福尔索姆将这种反复调整的过程描述为一种平衡，需要做出妥协，并在铺层计划和部件几何形状上进行大量的微调，以实现对整体刚度的适当控制，以及在需要的地方实现定制的柔韧性，空气动力学和强度，所有这些都旨在制造出效率最高、产生最微弱音爆的飞机。

福尔索姆说，在这个过程中，每个团队都使用了各种设计软件工具，在“闭环循环”中协同工作。这包括空气动力学和基于模型的设计软件，如达索系统公司（法国Vélizy Villacoublay）的CATIA，用于设计和制造规划。达索的Abaqus、MSC Software（美国加利福尼亚州纽波特比奇）的NASTRAN和几个内部工具都被用来分析模型。在现场，制造和装配工作通过达索公司的Composer软件在手持平板电脑上接收实时的图纸信息。

美国国家航空航天局的团队也参与了整个设计过程，提供了需求，在开始时帮助进行设计分析，现在则进行系统测试。美国国家航空航天局还直接在飞机上提供了几个系统，例如外部视觉系统，以及与其它X飞机一样，重复使用国防装备的部件，包括退役F-16或F-18的起落架和执行器。

X-59 QueSST：材料、结构

在洛克希德·马丁公司的网站上，X-59被描述为“类似于未来派的纸飞机”，它包括一个99.7英尺长的机身，有一个34英尺长的悬臂式机头，一个29.6英尺长的单件三角翼，一个没有前向窗户的驾驶舱，发动机和风道放置在机翼上方以进一步降低声音。整体外观旨在“重塑”或分散飞机飞行过程中发生的移位空气—冲击波，从而产生更安静的音爆。

在设计过程的早期就对材料进行了评估——洛克希德团队确定，由于这是一架一次性飞机，因此只会使用高度成熟的材料系统和技术。理查森说：“X-59上根本没有使用新的材料科学技术，所有的材料，无论是金属还是复合材料，都在臭鼬工厂有先例。”。“我们的目标不是开创任何制造或材料技术——它的真正目的是从飞机上产生声音（以满足美国宇航局的要求）。”

根据布奥纳诺的说法，最终的设计是在飞机的尾部和后半部分（包括机身）更多地以金属为中心，在机翼和飞机的前半部分（包括机头）使用更多的复合材料。布奥纳诺解释说，这种材料的选择是由发动机舱的热要求以及飞机前部的重量关键性决定的。考虑到与传统商用飞机相比，机头的长度和宽度，他指出，“这架飞机非常不寻常，因为它的机头重而不是机尾重，这意味着我们需要尽可能地减轻机头的重量。”

美国国家航空航天局X-59超音速飞机的复合材料机头设计鼻锥。碳纤维复合材料鼻锥包括粘合和紧固在一起的左半部分和右半部分。它的设计是为了在顶部和底部接缝处重叠材料，以增加刚度，防止飞行过程中机头弯曲。

在最终设计中，复合材料用于制造机头和梁(原文chines)；顶部和底部机翼蒙皮；襟翼、方向舵和副翼；飞机顶部的T型尾后缘；稳定器的尖端，即后部的水平尾翼；XVS摄像机上方的圆顶；以及进气导管。按重量计算，复合材料部件约占9500磅空机身的2050磅(22%)。为这些部件选择的最流行的复合材料是索尔维-Solvay(比利时布鲁塞尔)的MTM-45碳纤维/环氧预浸料，该预浸料最初是为了实现高热压罐外(OOA- out-of-autoclave)固化而开发的。

理查森指出：“如果你在未来，比如10年后，去一架投入运营的客机上，我相信你会看到一系列截然不同的材料。”他说，对于商用飞机来说，重量轻—导致航程更长和/或有效载荷能力更高—将更加重要，为更多潜在的复合材料应用打开大门。

机翼：自动铺丝（AFP）

福尔索姆说，将子系统放在X-59机翼上方“驱动了声音，但这并不是促使我们在机翼表面上使用复合材料而不是金属的原因”。仔细观察,机翼蒙皮远非平坦表面— 每一平方英寸都与周围的平方英寸不同，不平在不断变化”—这将使拉伸成型铝等金属制品变得复杂，使用成本高昂。他说：“机翼需要复合材料来完成复杂的曲线。金属甚至从未被考虑过。”。复合材料还允许团队在不同方向上调整刚度。福尔索姆指出：“你可以通过改变层压板来定制它——你不能用金属来做到这一点。”。

英格索尔自动铺丝机为NASA X-59铺放机翼蒙皮机翼制造。复合材料机翼蒙皮由洛克希德·马丁公司使用该公司的英格索尔AFP系统和烤箱固化制造。

顶部和底部机翼蒙皮由0.2英寸厚的实心层压板制成，由MTM-45 4英寸宽的单向(UD)胶带铺成，使用英格索尔机床(美国伊利诺伊州罗克福德)提供的洛克希德公司内部Mongoose自动纤维铺放(AFP)机器。“这是世界上最大的AFP之一，” 福尔索姆说。“我们可以制作一个房间大小的层压板，而且耗不费力。”这种五轴龙门式AFP系统使用局部红外加热器暂时增加粘性，以改善每条胶带的分层，并在AFP期间将其固定到位。随后进行烤箱固化。

下机翼蒙皮是一个连续的结构，减去起落架的几个孔，而上机翼蒙皮被制造成两个单独的部件，位于在中间34英寸金属蒙皮部分的两侧。福尔索姆解释说：“这样我们就有了检修面板、燃油泵和油箱内其他东西的地方，而且这是一个安全、方便维修人员行走的地方。”。

制造和组装机翼。机械紧固件与粘合一起使用，将复合材料顶部和底部机翼蒙皮固定到机翼内部的金属肋和加强筋上。

细长的鼻子：三明治结构，热压罐固化

近三分之一的飞机被34英尺长的机头占据。根据美国国家航空航天局的说法，这个鼻子的长度和形状是超音速飞行中重新配置冲击波的一个基本特征。

299磅重的鼻子由左右两半组成，沿着上下接缝粘合并栓接在一起。福尔索姆说，通常情况下，这样的鼻子会被制造成上半部分和下半部分，但X-59鼻子的长度和狭窄程度要求顶部和底部具有额外的刚度，以防止弯曲。他说：“连接边缘的层压板重叠被战略性地放置在鼻部的顶部和底部，这意味着纤维层增加了一倍，增加了刚度。”他指出，该区域的作用类似于工字梁的盖子。

每一半都是三明治板，外层层压板上有七层MTM-45织物，内层有三层，中间有蜂窝芯。这些材料被放置在真空袋下的阴模上，然后在热压罐中固化。洛克希德·马丁公司最初设计了机头，然后将其最终的层压设计和制造承包给了另一家供应商。

附加复合材料组件

与机头一样，X-59上的其他复合材料部件由洛克希德公司设计和组装，但由制造合作伙伴制造。

检查进气道。洛克希德·马丁公司设计并由合作伙伴制造的复合材料进气道，设计用于与发动机和其他几个系统一起放置在飞机机翼上方。

机头和机翼蒙皮是最大的复合材料部件，但理查德森（(Richardson)表示，设计中最具挑战性的是一些最小的部件：襟翼、副翼和方向舵。他说：“这些零件在后缘变得非常薄，需要大量的手工和艺术才能将它们组装在一起，以满足施加在它们身上的负载。”。“它们是飞机上负载非常高的部件。”副翼和襟翼只有3英寸厚。

半自动装配

在所有金属和复合材料部件制造完成后，洛克希德·马丁臭鼬工厂于2018年开始组装X-59，并于2021年底完成。

洛克希德·马丁臭鼬工厂最近为X-59项目购置了一台名为“联合操作：螺栓连接和机器人自动钻孔系统”(COBRA-Combined Operation: Bolting and Robotic AutoDrill system)的Electroimpact(美国华盛顿州穆基勒奥)机器人钻孔机。

这是专门为机翼组装而购买的。根据福尔索姆的说法，制造复合材料机翼蒙皮（或通过AFP制造的任何大型复合材料层压板）所涉及的最劳动密集型过程之一是组装。X-59机翼内部包括金属翼梁和翼肋，所有这些都需要机械地固定在机翼蒙皮上。

他说，在使用了如此多的自动化技术来制造蒙皮之后，“一群人用手和膝盖爬行，用手钻孔有点自相矛盾”。他解释说，之所以选择金属子结构，“是因为它们对力有线性反应，便于分析。它们的初始失效机制是弯曲而不是断裂，并且它们可以很容易地适应燃料泵和探头等子系统的多个连接点。”

自动钻孔。在这个项目中，洛克希德·马丁公司获得了一个Electroimpact七轴机器人钻孔系统，以节省X-59机翼组装的时间和劳动力。该公司计划继续将该机器用于其他程序。

COBRA是一种七轴机器人钻孔工具，能够一次性钻穿机翼蒙皮、粘合剂和铝骨架，并按照编程模式对其进行检查和制埋头窝。福尔索姆说：“我们在大约五天的时间里自动钻了成千上万个孔，这为我们节省了数月的手工时间，也消除了人为错误。”。

福尔索姆解释说，整个机翼部分是倒置组装的。下复合蒙皮通过粘合剂和机械螺钉连接到金属（主要是铝，在需要更高强度的区域有一些钛）内部零件。然后将整个结构翻转过来，用螺钉和临时粘合剂连接上机翼蒙皮。这将允许以后拧松并提起顶部机翼蒙皮，以安装最终的子系统和油箱。在机翼内安装所有子系统后，机翼蒙皮将重新紧固并用AMS 3277密封胶粘合。

首次飞行的测试和步骤

2022年初，完成的机身通过陆路运输到美国德克萨斯州沃思堡的洛克希德·马丁公司的测试设施。在那里，它经历了几个月的地面测试，以确保结构本身能够承受超音速飞行中通常发生的载荷和应力，并校准和测试燃料系统。

3月下旬，X-59被移回棕榈谷，完成发动机、接线和几个子系统的安装，随后进行了数月的系统和发动机测试，最终于2022年底进行首次飞行。

理查森解释说：“随着我们进入飞行测试阶段，美国国家航空航天局将在该计划中扮演更多的角色，包括测试工程师和提供飞行测试支持。然后，随着我们在飞行测试计划中的迁移，他们将开始对飞机进行维护，直到最终我们将钥匙交给美国国家航空宇航局，他们拥有并自行维护。”

届时，美国国家航空航天局将开始自己的飞行测试，计划在2024年至2026年间进行社区反应研究，让飞机飞越选定的美国社区。

补充资料

什么是音爆？

音爆是一种低沉的、雷鸣般的噪音，可以感觉到突然的冲击或震动，也可以听到。

它通常被描述为听起来像是一声巨响。

当任何飞机飞行时，它都会产生声波——例如发动机噪音和空气摩擦。

声波以每小时约750英里的速度传播，但一旦飞机速度超过声波速度，声波就会聚集并结合形成冲击波或音爆。

原文，《Digital design, multi-material structures enable a quieter supersonic NASA X-plane》 2022.5.2