问题背景：

现代民机是典型的高科技、高附加值产品，是一个国家经济、工业、科技水平和综合实力的集中体现。历经数十年的发展后，高亚声速民机设计技术已经相当成熟，在安全性、经济性、舒适性、环保性等方面均达到了很高的水平。但对于长距离航线，高亚声速民机的飞行时间较长，最高可达15小时以上，这是长距离航线舒适性、快捷性方面难以突破的瓶颈。相比之下，超声速民机的飞行速度大幅度提升（至少达到亚音速民机的2倍以上），可极大地缩短空中飞行时间，从而在很大程度上缓解上述矛盾。

第一代超声速民机“协和号”于1976年1月的投入运营是当时人类最大的技术创新和进步之一，但其在运营上有3大致命弱点：①高油耗，每年亏损4-5千万美元；②地面音爆水平过强，同时起飞和进场噪声均超过美国联邦航空管理局（FAA）规定的第三阶段噪声水平；③高污染排放对臭氧层的破坏。上述问题严重削弱了其市场竞争力，导致最终被迫退出商业运营。

自20世纪90年代以来，超声速民机的发展再次得到了人们重视，并逐渐成为世界航空工业界的研究热点之一。但是，新一代超声速民机要成为现实，必须具备绿色环保的系列特征，这其中除了低阻力低油耗的常规需求外，还要保证其音爆水平降到可接受的程度，并满足日益提高的机场周边噪声标准和发动机低排放要求。而以目前世界范围内的超声速民机设计技术水平来衡量，实现经济可承受的绿色超声速飞行仍存在极大挑战。

关键突破点：

针对新一代绿色超声速民机，美国、欧洲、俄罗斯、日本等纷纷提出了各自的超声速、高超声速民机概念方案，这些方案在强调传统民机安全性、舒适性、经济性等特点的同时，均把绿色环保放在至关重要的位置，以美国为代表的发达国家在低音爆、低油耗、低排放等方面进行了近70年的不懈探索，已经获得大量技术成果和经验积累，并且逐渐开始向实用领域转化，相关设计技术首先应用于体型较小、重量较轻、巡航速度也较低的超声速公务上，预计最快2025年前后可以陆续交付，而较大型的超声速民机在2030年后可能投入商业运营。另外，标志性的NASA低音爆验证机X-59集成了美国近年来在低音爆设计领域的技术成果，近期将率先进入飞行验证阶段。相比之下，我国在超声速民机领域起步较晚，近年来国内尽管也开展了初步研究，但投入力度有限，超声速民机设计技术的储备非常薄弱。

绿色超声速民机设计技术的挑战主要来自以下三个方面：

（1）超声速民机低阻力低音爆设计技术

民机超声速飞行时产生的音爆过强给地面带来不同程度的危害，被多国禁止在境内做商业飞行，只能执飞少数几条跨洋航线严重削弱其市场竞争力。因此，降低音爆是超声速民机发展必须突破的瓶颈。超声速飞机的阻力主要是摩擦阻力和波阻，低波阻设计与超声速面积率相关，摩擦阻力则取决于机体表面层流区范围，超声速层流机翼及其他部件的层流设计是十分必要的。阻力和音爆是两个既对立又统一的性能指标，需发展创新性的综合设计与评估方法，涉及高可信度音爆预测技术、超声速多学科优化设计技术、超声速层流机翼设计技术等。

（2）超声速商用航空发动机设计技术

超声速民机的动力非常关键。首先是污染排放问题，超声速民机巡航飞行在18000m以上的同温层，排出废气对臭氧层造成破坏；其次，起飞和进场噪声大大超出现有适航噪声标准；最后是传统涡喷、小涵道比涡扇发动机的高油耗问题。因此，需重点发展低排放、低噪声、低油耗的超声速商用航空发动机，可行的解决方案包括自适应变循环发动机技术、TBCC组合循环发动机技术等。

（3）超声速民机结构轻量化设计技术

针对超声速民机的高油耗、航程短、载客量小等致命缺陷，除了提高发动机性能外，降低飞机结构重量是另一条可行的解决途径。因此，需发展先进的复合材料技术与制造技术，大幅降低超超声速民机的重量，同时满足高马赫数的超声速飞行下结构载荷、热载荷等新的苛刻要求。目前，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的安静型超声速飞行研究计划中，在结构减重方面尝试各种新技术，预计可将原超声速民机设计方案的结构重量降低25%。

战略意义：

民用航空从属于交通运输业，人员、物资和信息的高效高速运输是经济发展水平和社会运作活力的重要标志之一。更快的旅行速度是人类永恒的追求，超声速民机的问世将使高速飞行融入生产生活，大大缩短民航运输的时间，进一步带动国际间经贸往来的频率和质量向上发展，也是我国在民机领域对传统航空强国实现“弯道超车”的一次重要机遇。

绿色超声速民机设计技术的突破，将带动民用航空平台及系统技术的整体性跨代发展，进一步激发民用航空工业整体实力提升，这对于我国在民机设计技术领域赶超国外先进水平、完善国产民机产品谱系、加快民机产业升级、使中国制造走向国际均具有重要的战略意义。