2003年10月的一个下午，一架协和式客机从云雾缭绕的天空中降落，并抵达伦敦希思罗机场。这架飞机三个半小时前刚刚从纽约肯尼迪国际机场起飞，载着100名来庆祝一个时代落幕的乘客。自1976年以来，这架超音速飞机曾以超过马赫数1.0（音速）的速度将数千名乘客运送至世界各地，但这将是协和式飞机的最后一次商业飞行。日落时分，超音速客运时代戛然而止，并一直延续至今。
协和式飞机的退役通常归咎于2000年发生的一次空难，该空难在巴黎戴高乐机场起飞后不久造成113人死亡。但实际上，世界上最成功的超音速客机并非那么成功。首先，由于会产生巨大的音爆，它在美国和欧洲部分地区被限制以超音速飞行。此外，它标志性的三角翼在低速时产生的升力并不显著，因此其设计者通过四台巨大的、耗油量巨大的加力涡轮喷气发动机来补偿。
“协和式飞机是一项卓越的工程杰作，”位于内华达州里诺的先进航空航天公司Aerion的首席执行官Doug Nichols说。“但存在权衡。你需要这样一架庞大的飞机来携带所有燃料，以相对短的距离运载100名乘客。从任何商业案例标准来看，它都是一次经济上的失败。”
航空航天业并没有忽视这个教训。尽管波音、达索和湾流公司一直在推进超音速飞机项目，工程师们也一直在悄悄地进行设计研究，但他们尚未承诺将飞机投入实际使用。相反，许多公司正在等待美国联邦航空管理局（FAA）和其他全球民航管理机构重写音爆法规。
与竞争对手不同，Aerion并没有等待。该公司正在积极开发一款超音速公务机（SBJ），并计划于2021年交付给首批客户。通过制造一架高效且能够超音速飞行的飞机，Aerion正在挑战监管机构和市场追赶。
超音速飞行面临的挑战可以追溯到基础空气动力学：空气如何围绕飞机流动。当飞机接近音速时，控制气流尤其棘手。当空气流过飞机机翼的上方和下方时，会产生飞机起飞所需的升力。但空气也会产生阻力，因为空气与飞机外表面之间会产生摩擦。阻力随速度的增加而增加。飞机速度越快，将飞行器推入空气的难度就越大，飞机发动机为飞行给定距离所需的燃油也越多。
当飞机超越马赫数1.0时，第二个问题出现了：飞机头部和尾部累积的压力波会产生震耳欲聋的爆炸声——音爆。与普遍的误解相反，音爆并非仅仅发生在飞机穿越音障时；只要飞机以超音速飞行，它就会产生这些压力波。尽管个人只能在飞机从头顶飞过时听到一次音爆，但在飞机整个飞行路径下方的任何人都能听到，范围可达两侧25英里。
如今，各国航空管理机构对商用飞机的音爆规定各不相同。负责维护国际航空标准的联合国机构——国际民用航空组织（ICAO）——目前禁止飞机产生地面可探测到的音爆，但并未技术上禁止超音速飞行。美国的规定则直接禁止以超过马赫数1.0的速度飞行。（私人太空飞行公司除外。）美国宇航局（NASA）和ICAO的研究可能有一天会为超音速飞行制定基于噪音的量化标准——即定义多少音爆算作过多——但这一天还很遥远。
协和式飞机通过仅在不适用音爆法规的地区（通常是海洋上空）进行超音速运行来避免了这个问题。但是，在陆地上空高速高效飞行的超音速飞机也可能具有商业可行性。此外，许多工程师一直在致力于降低音爆的强度——如果FAA放松其规定，这种方法可能是可行的。美国宇航局与诺斯罗普·格鲁曼公司和国防部高级研究计划局（DARPA）合作，对一种名为“塑形音爆演示器”（Shaped Sonic Boom Demonstrator）的改装机身进行了试飞，该演示器可以减弱音爆的声音。湾流公司获得了“静音尖钉”（Quiet Spike）的专利——这是一种在超音速飞行中从飞机机头伸出的伸缩式尖钉，用于将主要冲击波分解成更小的冲击波，从而使音爆变小。
Aerion遵循不同的设计理念：打造世界上最高效的超音速飞机。
Aerion认为，虽然这些低音爆概念解决了噪音问题，但并未解决燃油效率问题，而燃油效率与商业成功同等重要。“任何塑形音爆的飞机都将比最低阻力解决方案产生更高的阻力，”Aerion的测试经理Jason Matisheck表示。该公司遵循不同的设计理念：不要担心音爆；只制造世界上最高效的超音速飞机。
为了制造超高效的超音速飞行器，Aerion的工程师们利用了一种过去被航空器设计人员认为过于难以处理的气流。在大气层和机身之间存在一个薄薄的空气区域，称为边界层。当边界层不受干扰，平稳光滑地流过飞行器周围时，工程师们称之为层流。在大多数飞机上，这种气流会迅速变成湍流；这种湍流会产生阻力。飞机保持的自然层流（NLF）越多，飞机飞行的效率就越高，尤其是在高速飞行时。
20世纪70年代，工程师们开始更仔细地研究NLF。通过一系列实验，像Aerion首席技术官Richard Tracy和NextGen AeroSciences的首席执行官、NASA资深人士Bruce J. Holmes等工程师发现，航空工程师可以通过重新设计飞机部件来利用NLF。自那时以来，波音、达索和空中客车等飞机制造商都曾涉足NLF领域，探索其潜在极限，并将其融入概念和设计中。Aerion是第一家将NLF作为超音速飞行效率首要考量的公司。
通过改变机翼的位置以及外部部件和发动机短舱的形状，Aerion的工程师优化了SBJ机身上近60%区域的NLF。这使得超音速飞行时的效率足够高，达到了Holmes所描述的Aerion设计中最重要的创新：无后掠翼。与其他超音速飞机不同，它们的三角翼向后倾斜并指向尾部，SBJ的薄翼几乎垂直地从机身伸出。无后掠翼比协和式飞机的机翼具有更好的每英里燃油效率，而协和式飞机的机翼虽然针对超音速飞行进行了优化，但在亚音速时效率极低。
该公司的工程师们在模拟和风洞中的缩比模型中完善了SBJ的设计。他们还将翼型安装在F-15战斗机上，并在加利福尼亚上空对其性能进行了测量。所有这些测试都使得这款飞行器在两种不同的空速下都能达到最佳效率——一种是高于马赫数1.0，另一种是略低于马赫数1.0。在海洋上空，SBJ的飞行速度将高达约1056英里/小时，足以在短短四个小时内完成纽约到伦敦的飞行。但由于SBJ仍会产生音爆，它将在美国大陆上空以马赫数0.98（647英里/小时）的速度飞行，可能会为跨大陆的旅行节省一个多小时。（典型的公务机巡航速度约为550英里/小时。）沿着海岸线，它仍然可以通过在公海上空飞行来利用其超音速速度。
Aerion的工程师预计将在2021年左右向客户交付首批超音速飞机——这大约是ICAO的草案标准可能允许在欧洲大陆上空一定程度音爆的时间。目前，已有约50名客户签署了意向书，并支付了预订飞机的25万美元定金。一旦Aerion的SBJ开始在美国领空飞行——或许还在欧洲及其他地区进行超音速运营——FAA可能会被说服效仿ICAO的做法，在国内也允许超音速飞行。
Nichols、Tracy以及Aerion团队的其他成员并不指望FAA法规会发生改变。无论有无音爆，Aerion都打算飞行。
本文最初发表于2014年2月的《大众科学》杂志。
