經過洛克希德·馬丁臭鼬工廠九年的設計、制造、組裝和測試，美國國家航空航天局(NASA)的復合材料密集型X-59 QueSST實驗飛機將于2022年底首次飛行。

X-59 QueSST飛機設計圖

商業超音速航空旅行有望使乘客或貨物的運輸速度達到當今航班的兩倍。然而，最大的障礙之一一直是雷鳴般的音爆，這是由飛機周圍高壓下的空氣位移引起的，飛機的飛行速度超過了音速。由于這種噪音干擾，自1973年以來，美國聯邦航空管理局(FAA)一直禁止飛行速度超過1馬赫(音速)的陸上民用飛機。

美國國家航空航天局（美國華盛頓特區）通過其低空飛行演示項目，旨在通過開發一種旨在大幅降低音爆噪音水平的實驗X飛機，為陸上商業超音速航空旅行鋪平道路。這架名為X-59靜音超音速技術(QueSST-Quiet SuperSonic Technology)飛機的飛機將飛越美國的選定城市，美國國家航空航天局將在那里進行社區反應研究，以獲取有關聲級和社區反應的數據。目標是讓這些數據有助于為美國聯邦航空局等監管機構提供信息，因為它制定了新的可接受的噪音標準，以便在不久的將來實現陸上商業旅行。

X-59是與合作伙伴洛克希德·馬丁臭鼬工廠(美國加利福尼亞州帕姆代爾)共同開發的一款有人駕駛的實驗飛機，幾乎準備好在今年晚些時候進行首次飛行測試。預計它的飛行速度將達到1.4馬赫（約每小時1074英里），同時將音爆降低到美國國家航空航天局所說的聲波“砰砰”，主要是通過飛機獨特的形狀實現的。X-59的長而窄的機頭和由碳纖維增強復合材料制成的三角形機翼旨在傳播超音速沖擊波，從而減少地面上聽到的聲音。發動機也放置在機翼上方，以進一步降低噪音。

設計過程：需求和多團隊數字設計

洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠以開發創新的一次性和原型飛機而聞名，包括之前為美國國家航空航天局開發的幾架X飛機。洛克希德·馬丁臭鼬工廠X-59的高級航空工程師吉恩·福爾索姆(Gene Folsom)說：“制造一次性、原型和X飛機，這是我們的遺產。我們已經做了很長時間了，我們這里的文化使我們作為工程師能夠有廣泛的理解；我們都擅長自己加工零件。我們每個人的手上都有傷口，指甲下都有樹脂。”

該公司在X-59上的工作始于2013年，當時洛克希德贏得了美國國家航空航天局的項目合同。美國國家航空航天局設定了各種空氣動力學、機械和其他要求—飛機需要達到的高度、在空中的時間、機動能力等—但每種設計選擇的驅動因素都是需要小于75分貝的音爆特征，或者大約是汽車車門砰砰作響的響度。據美國國家航空航天局稱，典型的音爆可以超過110分貝，大約相當于雷聲的響度。

美國國家航空航天局(NASA)X-59復合材料密集型超音速飛機實現商業超音速航空旅行。X-59的目的是驗證是否有可能建造一架超音速飛機，為陸上旅行達到可接受的音爆水平。美國國家航空航天局希望X-59的飛行和感知測試將制定新的法規，允許陸上超音速航空旅行，并且X-59的設計將有助于為未來的商用飛機設計提供信息。

洛克希德·馬丁臭鼬工廠X-59項目總監大衛·理查森(David Richardson)解釋說，洛克希德是最合適的，部分原因是他的團隊開發了一種預測代碼，可以根據所需的音爆水平虛擬生成飛機的最佳形狀。他說：“我們實際上可以控制和預測音爆的響度。”。

洛克希德·馬丁臭鼬工廠X-59飛行器負責人邁克爾·布奧納諾(Michael Buonanno)博士解釋了設計方法：“我們研究了建造X-59的不同方法，不僅包括不同的材料，還包括零件本身的類型。我們研究了飛機應該能飛多快，甚至在一段時間內，還考慮了X-59是否應該是無人駕駛飛機。”這架飛機最終是為飛行員設計的，以確保在飛機執行超音速飛行任務并在美國大陸上空飛行時，能夠更好更快地做出現場決策。布奧納諾指出，雖然X-59將以1.4馬赫的速度飛行，這是飛機的極限。通用電氣F414發動機，未來低噪音客機的目標速度為1.6馬赫。

設計成果

X-59的細長機頭、發動機和進氣道位置以及其他功能旨在“重塑”飛機飛行過程中發生的沖擊波，從而產生安靜的聲波“砰砰”聲。

鼻部較重的設計導致了以復合材料為主的上半部分和機翼，而下半部分則以金屬為主。

CFRP機翼蒙皮由洛克希德·馬丁公司通過AFP制造。其他組件由合作伙伴制造，并由洛克希德公司組裝。

福爾索姆補充說，與商業客運飛機不同，，剛度是設計的關鍵力學要求。“大多數飛機—戰斗機、貨機—們的設計都非常堅固，可以攜帶大量有效載荷。好吧，對于X-59來說，你沒有這個。這實際上是一種剛度驅動的設計，而不是強度驅動的設計。這意味著我們在飛行過程中對機翼、機頭或任何控制面的任何偏轉都非常敏感—如果我們遇到湍流顛簸，或者我們故意轉彎等等。”理查森補充說，由于只會建造一架X-59，團隊不得不對機械要求進行過度設計，以消除任何出錯的機會，并確保飛機在機身壽命期間能夠滿足所有負載要求。

為了優化飛機設計，洛克希德·馬丁臭鼬工廠的許多團隊在七個月的時間里進行了合作：空氣動力學、音爆專家、負載、壓力、設計。福爾索姆將這種反復調整的過程描述為一種平衡，需要做出妥協，并在鋪層計劃和部件幾何形狀上進行大量的微調，以實現對整體剛度的適當控制，以及在需要的地方實現定制的柔韌性，空氣動力學和強度，所有這些都旨在制造出效率最高、產生最微弱音爆的飛機。

福爾索姆說，在這個過程中，每個團隊都使用了各種設計軟件工具，在“閉環循環”中協同工作。這包括空氣動力學和基于模型的設計軟件，如達索系統公司（法國Vélizy Villacoublay）的CATIA，用于設計和制造規劃。達索的Abaqus、MSC Software（美國加利福尼亞州紐波特比奇）的NASTRAN和幾個內部工具都被用來分析模型。在現場，制造和裝配工作通過達索公司的Composer軟件在手持平板電腦上接收實時的圖紙信息。

美國國家航空航天局的團隊也參與了整個設計過程，提供了需求，在開始時幫助進行設計分析，現在則進行系統測試。美國國家航空航天局還直接在飛機上提供了幾個系統，例如外部視覺系統，以及與其它X飛機一樣，重復使用國防裝備的部件，包括退役F-16或F-18的起落架和執行器。

X-59 QueSST：材料、結構

在洛克希德·馬丁公司的網站上，X-59被描述為“類似于未來派的紙飛機”，它包括一個99.7英尺長的機身，有一個34英尺長的懸臂式機頭，一個29.6英尺長的單件三角翼，一個沒有前向窗戶的駕駛艙，發動機和風道放置在機翼上方以進一步降低聲音。整體外觀旨在“重塑”或分散飛機飛行過程中發生的移位空氣—沖擊波，從而產生更安靜的音爆。

在設計過程的早期就對材料進行了評估——洛克希德團隊確定，由于這是一架一次性飛機，因此只會使用高度成熟的材料系統和技術。理查森說：“X-59上根本沒有使用新的材料科學技術，所有的材料，無論是金屬還是復合材料，都在臭鼬工廠有先例。”。“我們的目標不是開創任何制造或材料技術——它的真正目的是從飛機上產生聲音（以滿足美國宇航局的要求）。”

根據布奧納諾的說法，最終的設計是在飛機的尾部和后半部分（包括機身）更多地以金屬為中心，在機翼和飛機的前半部分（包括機頭）使用更多的復合材料。布奧納諾解釋說，這種材料的選擇是由發動機艙的熱要求以及飛機前部的重量關鍵性決定的。考慮到與傳統商用飛機相比，機頭的長度和寬度，他指出，“這架飛機非常不尋常，因為它的機頭重而不是機尾重，這意味著我們需要盡可能地減輕機頭的重量。”

美國國家航空航天局X-59超音速飛機的復合材料機頭設計鼻錐。碳纖維復合材料鼻錐包括粘合和緊固在一起的左半部分和右半部分。它的設計是為了在頂部和底部接縫處重疊材料，以增加剛度，防止飛行過程中機頭彎曲。

在最終設計中，復合材料用于制造機頭和梁(原文chines)；頂部和底部機翼蒙皮；襟翼、方向舵和副翼；飛機頂部的T型尾后緣；穩定器的尖端，即后部的水平尾翼；XVS攝像機上方的圓頂；以及進氣導管。按重量計算，復合材料部件約占9500磅空機身的2050磅(22%)。為這些部件選擇的最流行的復合材料是索爾維-Solvay(比利時布魯塞爾)的MTM-45碳纖維/環氧預浸料，該預浸料最初是為了實現高熱壓罐外(OOA- out-of-autoclave)固化而開發的。

理查森指出：“如果你在未來，比如10年后，去一架投入運營的客機上，我相信你會看到一系列截然不同的材料。”他說，對于商用飛機來說，重量輕—導致航程更長和/或有效載荷能力更高—將更加重要，為更多潛在的復合材料應用打開大門。

機翼：自動鋪絲（AFP）

福爾索姆說，將子系統放在X-59機翼上方“驅動了聲音，但這并不是促使我們在機翼表面上使用復合材料而不是金屬的原因”。仔細觀察,機翼蒙皮遠非平坦表面— 每一平方英寸都與周圍的平方英寸不同，不平在不斷變化”—這將使拉伸成型鋁等金屬制品變得復雜，使用成本高昂。他說：“機翼需要復合材料來完成復雜的曲線。金屬甚至從未被考慮過。”。復合材料還允許團隊在不同方向上調整剛度。福爾索姆指出：“你可以通過改變層壓板來定制它——你不能用金屬來做到這一點。”。

英格索爾自動鋪絲機為NASA X-59鋪放機翼蒙皮機翼制造。復合材料機翼蒙皮由洛克希德·馬丁公司使用該公司的英格索爾AFP系統和烤箱固化制造。

頂部和底部機翼蒙皮由0.2英寸厚的實心層壓板制成，由MTM-45 4英寸寬的單向(UD)膠帶鋪成，使用英格索爾機床(美國伊利諾伊州羅克福德)提供的洛克希德公司內部Mongoose自動纖維鋪放(AFP)機器。“這是世界上最大的AFP之一，” 福爾索姆說。“我們可以制作一個房間大小的層壓板，而且耗不費力。”這種五軸龍門式AFP系統使用局部紅外加熱器暫時增加粘性，以改善每條膠帶的分層，并在AFP期間將其固定到位。隨后進行烤箱固化。

下機翼蒙皮是一個連續的結構，減去起落架的幾個孔，而上機翼蒙皮被制造成兩個單獨的部件，位于在中間34英寸金屬蒙皮部分的兩側。福爾索姆解釋說：“這樣我們就有了檢修面板、燃油泵和油箱內其他東西的地方，而且這是一個安全、方便維修人員行走的地方。”。

制造和組裝機翼。機械緊固件與粘合一起使用，將復合材料頂部和底部機翼蒙皮固定到機翼內部的金屬肋和加強筋上。

細長的鼻子：三明治結構，熱壓罐固化

近三分之一的飛機被34英尺長的機頭占據。根據美國國家航空航天局的說法，這個鼻子的長度和形狀是超音速飛行中重新配置沖擊波的一個基本特征。

299磅重的鼻子由左右兩半組成，沿著上下接縫粘合并栓接在一起。福爾索姆說，通常情況下，這樣的鼻子會被制造成上半部分和下半部分，但X-59鼻子的長度和狹窄程度要求頂部和底部具有額外的剛度，以防止彎曲。他說：“連接邊緣的層壓板重疊被戰略性地放置在鼻部的頂部和底部，這意味著纖維層增加了一倍，增加了剛度。”他指出，該區域的作用類似于工字梁的蓋子。

每一半都是三明治板，外層層壓板上有七層MTM-45織物，內層有三層，中間有蜂窩芯。這些材料被放置在真空袋下的陰模上，然后在熱壓罐中固化。洛克希德·馬丁公司最初設計了機頭，然后將其最終的層壓設計和制造承包給了另一家供應商。

附加復合材料組件

與機頭一樣，X-59上的其他復合材料部件由洛克希德公司設計和組裝，但由制造合作伙伴制造。

檢查進氣道。洛克希德·馬丁公司設計并由合作伙伴制造的復合材料進氣道，設計用于與發動機和其他幾個系統一起放置在飛機機翼上方。

機頭和機翼蒙皮是最大的復合材料部件，但理查德森（(Richardson)表示，設計中最具挑戰性的是一些最小的部件：襟翼、副翼和方向舵。他說：“這些零件在后緣變得非常薄，需要大量的手工和藝術才能將它們組裝在一起，以滿足施加在它們身上的負載。”。“它們是飛機上負載非常高的部件。”副翼和襟翼只有3英寸厚。

半自動裝配

在所有金屬和復合材料部件制造完成后，洛克希德·馬丁臭鼬工廠于2018年開始組裝X-59，并于2021年底完成。

洛克希德·馬丁臭鼬工廠最近為X-59項目購置了一臺名為“聯合操作：螺栓連接和機器人自動鉆孔系統”(COBRA-Combined Operation: Bolting and Robotic AutoDrill system)的Electroimpact(美國華盛頓州穆基勒奧)機器人鉆孔機。

這是專門為機翼組裝而購買的。根據福爾索姆的說法，制造復合材料機翼蒙皮（或通過AFP制造的任何大型復合材料層壓板）所涉及的最勞動密集型過程之一是組裝。X-59機翼內部包括金屬翼梁和翼肋，所有這些都需要機械地固定在機翼蒙皮上。

他說，在使用了如此多的自動化技術來制造蒙皮之后，“一群人用手和膝蓋爬行，用手鉆孔有點自相矛盾”。他解釋說，之所以選擇金屬子結構，“是因為它們對力有線性反應，便于分析。它們的初始失效機制是彎曲而不是斷裂，并且它們可以很容易地適應燃料泵和探頭等子系統的多個連接點。”

自動鉆孔。在這個項目中，洛克希德·馬丁公司獲得了一個Electroimpact七軸機器人鉆孔系統，以節省X-59機翼組裝的時間和勞動力。該公司計劃繼續將該機器用于其他程序。

COBRA是一種七軸機器人鉆孔工具，能夠一次性鉆穿機翼蒙皮、粘合劑和鋁骨架，并按照編程模式對其進行檢查和制埋頭窩。福爾索姆說：“我們在大約五天的時間里自動鉆了成千上萬個孔，這為我們節省了數月的手工時間，也消除了人為錯誤。”。

福爾索姆解釋說，整個機翼部分是倒置組裝的。下復合蒙皮通過粘合劑和機械螺釘連接到金屬（主要是鋁，在需要更高強度的區域有一些鈦）內部零件。然后將整個結構翻轉過來，用螺釘和臨時粘合劑連接上機翼蒙皮。這將允許以后擰松并提起頂部機翼蒙皮，以安裝最終的子系統和油箱。在機翼內安裝所有子系統后，機翼蒙皮將重新緊固并用AMS 3277密封膠粘合。

首次飛行的測試和步驟

2022年初，完成的機身通過陸路運輸到美國德克薩斯州沃思堡的洛克希德·馬丁公司的測試設施。在那里，它經歷了幾個月的地面測試，以確保結構本身能夠承受超音速飛行中通常發生的載荷和應力，并校準和測試燃料系統。

3月下旬，X-59被移回棕櫚谷，完成發動機、接線和幾個子系統的安裝，隨后進行了數月的系統和發動機測試，最終于2022年底進行首次飛行。

理查森解釋說：“隨著我們進入飛行測試階段，美國國家航空航天局將在該計劃中扮演更多的角色，包括測試工程師和提供飛行測試支持。然后，隨著我們在飛行測試計劃中的遷移，他們將開始對飛機進行維護，直到最終我們將鑰匙交給美國國家航空宇航局，他們擁有并自行維護。”

屆時，美國國家航空航天局將開始自己的飛行測試，計劃在2024年至2026年間進行社區反應研究，讓飛機飛越選定的美國社區。

補充資料

什么是音爆？

音爆是一種低沉的、雷鳴般的噪音，可以感覺到突然的沖擊或震動，也可以聽到。

它通常被描述為聽起來像是一聲巨響。

當任何飛機飛行時，它都會產生聲波——例如發動機噪音和空氣摩擦。

聲波以每小時約750英里的速度傳播，但一旦飛機速度超過聲波速度，聲波就會聚集并結合形成沖擊波或音爆。

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