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比声音还快(上)——漫谈超音速客机
 

 

  自从莱特兄弟为人类插上翅膀以来,人们一直梦想着飞得更高更快。英国人 Frank Whittle 于 1930 年申请了第一个喷气式发动机的专利,德国人 Hans Von Ohain 在不知情的情况下,于 1936 年也独立申请了自己的专利。两者的基本原理相近,但具体细节不同。Whittle 的发动机到 1941 年才在 Gloster Pioneer 上试飞,而 Ohain 的发动机在 39 年就首先在 Heinkel 178 验证机上试飞了。在第二次世界大战还在如火如荼的 1942 年,英国的迈尔斯飞机公司(Miles Aircraft Co)就受命开始秘密设计 M52 超音速飞机,但由于战事紧张和国力衰竭,英国政府下令迈尔斯将所有设计数据移交给美国,贝尔飞机公司接手之后,于 1948 年成功地将 X-1 实验型飞机飞上天,在著名的试飞员 Chuck Yeager 的操控下,于 1947 年 10 月 14 日首次在平飞中突破音速。在 1948 年 10 月的试验中,M52 的 30% 比例模型也达到 M1.5,证明英国人原来的计算和设计是正确的。

Miles M52 超音速研究机,后来首先突破音障的贝尔 X-1 用的是火箭发动机,M52 用的可是货真价实的涡喷发动机

贝尔 X-1 火箭飞机,历史上首次在平飞中突破音障的有人驾驶飞机

为了最大限度地节约燃料,X-1 是用 B-29 带到空中投放后再点火飞行的,据说 X-1 的火箭发动机点火成功率不怎么样,万一点火失败,飞行员只有很短的时间决定跳伞,滑翔是不可能的

美国历史上最著名的试飞员 Chuck Yeager,早年曾参加二战的欧洲空战,在法国上空被击落后,借道西班牙逃回英国。当时条令规定,逃回的飞行员不再到占领区上空作战,大概是担心飞行员有心理障碍,但 Yeager 直接向艾森豪威尔请求重返欧陆上空,获得特许,以后曾在一天内连续击落 5 架敌机,战争结束时总战绩 11.5 架,包括一架 Me 262。在 75 年从空军退役时,官拜准将,30 年后,获国会特别推荐,于 2005 年晋升少将

Chuck Yeager 和他的 X-1。按二战时就开始的老规矩,命名为 Glamorous Glennis,Glennis 那时还是女朋友,后来成为妻子。Glennis 死后 13 年,Yeager和小他 36 岁的 Victoria D’Angelo 结婚,子女把后妈告上法庭,说她纯粹是为了名利,Yeager 一世英雄,到老了反而摊上这么一摊烂事

除了从事研究性试飞外,Yeager 也是美国空军作战飞机试飞和评估的主力,在 1947-54 年期间,平均每月要飞 100 小时以上,有一个月竟然飞了 27 种不同型号的飞机

Chuck Yeager 后来离开试飞员的行当,担任一线战斗机部队的中队长、联队长,在 67 年北朝鲜扣押美国情报船“普韦布洛”号事件中,负责空中行动。在 62-64 年担任试飞员学校校长期间,训练了第一批宇航员,小说和电影 The Right Stuff 就是讲的这一段。Yeager 的最后职务是驻德国拉姆斯坦茵的第 17 航空队副司令

老家伙现在还不闲着,时不时上天遛一圈。左面的 Bob Hoover,二战中在欧洲被击落被俘,逃出集中营,偷了一架 Fw 190 战斗机自己飞回来了。右面的是 Frank Borman,双子星 7 号飞船的指令长,首次实现太空对接,后任阿波罗 8 号指令长,首次飞出地球轨道,绕月飞行

  人们很早就知道,推力只是实现超音速飞行的一部分。物体以接近音速飞行时,空气的性质变了。飞机飞行时,对前方空气产生压缩,形成的压力波以音速传播。在 0.8 倍音速以下的亚音速飞行时,压力波跑在飞机前面,在一定程度上起到把前方空气推开的作用。但以音速飞行时,前方的压力波“躲闪不及”,叠在一起,阻力急剧增加,阻力比亚音速时增加 3 倍,飞机就像一头撞到一堵墙上一样,这就是“音障”(sound barrier)之说的来源。然而,速度继续增加至 1.2 倍音速以上时,飞机跑到压力波前面去了,飞机的机头形成锥形激波,空气压力沿激波前锋急剧升高。激波前锋之后的压力急剧下降,到机尾压力达到负压,在机尾后压力急剧恢复到常压,整个压力分布呈骤升-缓降-骤升的 N 形,所以常被称为 N 形波。由于 N 形波前锋的拖带和后缘的推动,超音速飞行的飞机所在的 N 形波中间部分的气流反而是亚音速的。激波在正好音速的时候,几乎是垂直于飞机前进方向的平面;随速度增加,激波呈越来越尖锐的锥形,速度增加,锥形的“后掠角”也增加,所以超音速飞行的阻力增加的速率随速度的增加反而下降,超音速后,速度增加一倍,阻力只增加 30-50%。这个性质只和音速或马赫数有关,不管在什么高度,飞机以相同的马赫数飞行,其经受的气动条件是等同的,而和以公里/小时计算的实际速度和高度的关系不大,所以高速飞机常用音速而不是实际速度来描述。音速或马赫数随空气条件而改变,但不是单调地改变,也就是说,并不是一路上升或一路下降,而是有升有降。在海平面时,音速为 1,225.1 公里/小时。到 10,000 米高空,音速降为 1,078.3 公里/小时。但超过 20,000 米高度后,音速又随高度增高,比如,30,000 米时,音速为 1,086.2 公里/小时。但是 48,000 米以上时,音速又开始下降。

比声音还快(上)——漫谈超音速客机:激波

音速以马赫数度量,马赫数当然就是以奥地利物理学家 Ernst Mach 命名的。说他是奥地利物理学家,捷克人可能要不满意,因为马赫出生于捷克的 Brno,后来也回到布拉格的 Charles 大学做教授,但他的学业和主要研究是在奥地利完成的。捷克是当时奥匈帝国的一部分。这是马赫同学的尊容

随着飞机速度的增加,飞机对前方空气压缩形成的压力波不断被压紧,在音速的时候被压到一起,阻力急剧增加。超过音速后,飞机把压力波甩到身后,阻力反而减小

波导阻力在音速达到最高

超音速飞行时,激波后的空气压力和温度急剧下降,导致水汽冷凝,形成雾化现象

风洞里 F-14 的激波图像

NASA 的 T-38 在空气中飞行时形成激波的照片

音速是随高度变化的,更具体地说,是随空气温度而变化

音速和高度的关系显然不是一路上升或一路下降,而是有升有降,也有不升不降的时候

超音速飞行会引起强烈的涡流

  音速显然是一道坎,跨过去了,超音速阻力反而下降。为了减小跨音速激波的影响,NASA 物理学家 Richard Whitcombe 于 55 年提出跨音速面积率,也就是飞行器在跨音速飞行时,前缘和后缘的激波不可避免,但如果飞行器沿前进轴线上的截面积急剧改变,将产生额外的激波,增加阻力。为了避免这额外的阻力,飞行器沿前进轴线的截面积应该均匀改变(或者说截面积沿前进轴线的二阶导数或曲率应该恒定),而截面的形状倒是无关紧要,这就是著名的跨音速面积率,也是超音速飞机“蜂腰”的来源。

Whitcomb 在 NASA(当时还叫 NACA)的 8 英尺告诉风洞检查用面积律设计的一个飞机模型

Whitcomb 在上课,讲解面积律

左为不用面积律设计的气动外形,右为利用面积律设计的气动外形,注意其特征性的“蜂腰”

YF-102 战斗机在用面积律修行之前(左)和之后(右)

具有明显“蜂腰”的幻影 III 战斗机

具有明显“蜂腰”的歼-8II 战斗机

比声音还快(上)——漫谈超音速客机:协和前传

高亚音速客机的速度虽然没有超过音速,但已经进入了跨音速区的下端。波音 747 机头的“驼背”增加了前机身的截面积,也起到了面积律的作用,是波音 747 可以比一般高亚音速客机飞的更快的一个原因

A380 和其他现代高压音速客机的中机身和机翼连接处明显的鼓包也是面积律的结果

  英国的皇家飞机研究中心(Royal Aircraft Establishment)从 54 年就开始研究超音速客机的问题,以当时流行的细长机身、短薄的平直翼为基础,以重要的英美之间的北大西洋航线为背景,进行了一些概念设计。但是概念设计的结果很不妙:136 吨的起飞重量已经和波音 707 相当了,但是载客量只有区区 15 人,这显然毫无经济性可言。在此期间,英国的德哈维兰“彗星”客机在解决疲劳问题后重返天空时,发现高亚音速喷气客机的桥头堡已经被波音和道格拉斯占去了,为了重建英国民航客机的竞争力,RAE 出面于 56 年设立了超音速运输机研究委员会(Supersonic Transport Aircraft Commission,STAC),开始研究超音速客机的可行性,研究集中在超音速客机的技术问题和经济性问题。

  速度超过 M1.5 后阻力随速度上升的速率下降,这是一个有利条件。如果速度增加一倍,阻力只增加 50%,那相当于在同样载客量的条件下,M1.6 的超音速客机可以用 M0.8 的亚音速客机跑三个航次的燃油,来跑四个航次。但是天下没有这样的好事,机翼的升力系数在超音速的时候下降很厉害,M2.0 的时候大概只有 M1.0 的一半。这样一来,得失大抵相抵。超音速客机在经济性上的好处主要还是从节约时间上来的,如果燃油消耗相当,在同等载客量的条件下,一架 M2.0 的超音速客机的实际运能相当于 2.5 架 M0.8 的亚音速客机,在采购和维修成本上有利。实际情况当然没有那么简单,维修、机场周转都需要时间,超音速客机的起飞、降落也需要时间,但以时间换效益大体就是研制超音速客机的经济动力。STAC 的结论是,超音速客机只有在相当的载客量的远程航线上运营才比较经济,航程以欧洲西海岸到美国东海岸为基准航线时,速度以 2.2 倍音速为宜。速度更低将难以保证在伦敦和纽约之间当天来回,大大减低超音速旅行的吸引力。速度更高将超过铝合金的耐热能力,需要采用不锈钢或钛,在技术上未知数太多。在超音速战斗机 10 年后才勉强达到 6,000-8,000 小时使用寿命的情况下,60 年代初超音速客机的使用寿命已经要求超过 30,000 小时,技术上的未知数越少越好。英国动起来了,美苏当然也不闲着。为了在新一轮民航客机的“世界大战”中抢到先机,欧洲和美苏都展开了超音速客机的研制,“为国争光”当然也是各国倾力研制超音速客机的重要因素。

在走向协和式之前,英国专门设计和试飞了很多研究机,研究超音速飞行的各方面问题。英国的 Fairey Delta 是第一个采用无尾三角翼布局的喷气式研究机,这是 Fairey Delta FD2。按英国人的说法,法国的幻影战斗机也是“偷”Fairey Delta 的

英国 Hendley Page 的 P115 研究机,着重研究无尾三角翼的低速横滚操控性能

英国布里斯托尔 188 研究机,全机用不锈钢制造,着重研究高速飞行时的气动加热问题

英国 BAC221 研究机,着重研究 S 形前缘无尾三角翼的气动特性

英国“火神”轰炸机,用来试验协和式的“奥林普斯”发动机

协和式机体表面的温度分布,热胀冷缩对材料和结构是很大的挑战

比声音还快(上)——漫谈超音速客机:协和诞生

  STAC 同时对超音速客机的气动布局进行了概念性的研究,建议采用细长机身和无尾大后掠三角翼,以最大限度地提高超音速升阻比。大后掠角可以延迟激波的产生,三角翼有利于实现跨音速面积率,细长机身减小迎风阻力。与此同时,美国的 NACA、法国的 ONERA、苏联的 TsAGI 也在全力研究超音速客机的问题,各国得出和 STAC 大体相同的结论。

美国康维尔曾提议用 B-58 轰炸机改装超音速客机,但 B-58 的机身太窄,单走廊横列双座塞沙丁鱼一样也只能装载 58 名乘客,最后不了了之。但是 B-58 的跨大西洋超音速飞行的经验对超音速客机的研制有很大的作用

美国曾用 F-102 作过超音速客机的研究

法国的 Nord Griffon 也曾用于超音速客机的研究

  60 年代初,英国布里斯托尔飞机公司(Bristol Aeroplane)和法国南方飞机公司(Sud Aviation)分别提出超音速客机的方案,前者为布里斯托尔 198 方案,后者为“超快帆”。布里斯托尔 198 采用大后掠无尾三角翼,翼下 6 台罗尔斯·罗伊斯“奥林普斯”涡喷发动机,载客 130 人,速度 M2.2。后来因为过于野心勃勃,被英国飞机公司(British Aircraft,由众多中小飞机公司合组而成,布里斯托尔是其中的一个)的 223 方案代替,气动外形基本不变,尺寸缩小,采用翼下 4 台“奥林普斯”发动机。法国南方的“超快帆”可以算作亚音速“快帆”SE-210 的超音速版,气动外形和 BAC223 十分相似,但是要小一号,只能载客 70 人,航程 3,200 公里。在欧洲合作的大潮之下,BAC223 和“超快帆”合并为“协和”式计划,以后的过程在《一个传奇的诞生》中多有叙述,这里不再重复。

BAC 223 方案,已经有很明显的协和式的影子了

62 年巴黎航展上的“超快帆”模型

协和式的载客量 100 人,速度 M2.02,航程 6,500 公里,于 76 年投入航班服务,2003 年退役

优美的协和式,蓝天上永远的白天鹅

  布里斯托尔 198 不是英国的第一个超音速客机的方案。在布里斯托尔和维克斯-阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)合作提出 198 之前,阿姆斯特朗和威特沃斯(Whitworth)合作提出过一种十分怪异的 M 形机翼方案。从气动设计来说,这个方案有很多相当先进的地方,采用了“跨音速面积率”的蜂腰设计,以减小穿越音障的阻力。机头有一个前出的尖刺,用以提前形成激波,将波前锋从机翼前移,以改善机翼的气动情况。最特别的是机翼,从翼根开始前掠,然后到一半翼展的时候,改向后掠,形成一个十分独特的 M 形,或者说,像一对在天空挥舞的巨大的钢铁龙虾钳。这个独特的形状有利于大尺寸大后掠翼的横风控制问题。阿姆斯特朗-威特沃斯的 M 形机翼方案尽管前卫,但速度只有 M1.2。其收缩的蜂腰使客舱布置很不方便,最后成为航空史上一个著名的纸上谈兵的异类。

阿姆斯特朗-威特沃斯 M 形翼方案,像不像在天空飞舞的一只大龙虾?

  英国人一旦疯狂起来,那真是拦也拦不住,想出的怪东西叫人瞠目结舌。亨德里-佩奇(Handley-Page)在 20-30 年代是英国最著名的大型客机制造公司,其大型双翼客机曾经飞遍日不落帝国的各个角落,以豪华、舒适和可靠著称。战后英国政府主持将众多中小行业公司合组为国营大公司,也是“打造 xx 行业的航空母舰”的意思,英国里兰(British Leyland)成为汽车界的龙头老大,BAC 则是飞机界的对应。但是亨德里-佩奇不愿加盟,还是单干,没有多久,就在飞机工业“注销户口”,不过这是后话。亨德里-佩奇的方案比阿姆斯特朗-威特沃斯的更前卫,采用一个巨大的飞翼,乘客和货物都装载在机翼里,但飞行员的座舱在机翼的一端。亨德里-佩奇的飞翼和一般的飞翼不同。一般的飞翼取消机身,加宽加厚机翼,但飞翼沿前进方向的中轴线是对称的。亨德里-佩奇的飞翼是斜翼,相当于取消机身,同时取消一侧机翼,只剩下另一侧机翼,所以飞翼在空中斜对着前进方向飞。由于取消了机身,斜着飞的飞翼可以几近任意地调整后略角,而不至于引起太大的气动上的麻烦。在实际上,后掠角过大时,诱导阻力增加,所以并不实际。斜翼对高亚音速到 M1.4 之间是最优的,速度更高并没有优越性。况且,这个科幻式的设计有很多不切实际的地方。起飞着陆时,斜翼要正过来,需要异常宽大的跑道。乘客闷在没有窗子的客舱里十分别扭,但在斜翼前缘开窗,在结构上麻烦太多,斜着坐也是奇奇怪怪的。斜翼调整后略角时,发动机的推力方向需要同步调整,大大增加机械上的复杂性。亨德里-佩奇的斜翼方案最后也是沦为航空史上另一个著名的纸上谈兵的异类。

比声音还快(上)——漫谈超音速客机:图-144

亨德里-佩奇的斜翼方案

  在英法如火如荼地大干快上超音速客机的时候,苏联也没有闲着。在赫鲁晓夫的直接过问下,图波列夫设计局领命设计图-144 超音速客机,很快拿出了设计方案。不过图波列夫清醒地忠告苏共中央,图-144 的耗油惊人,经济性不好。苏共中央对图波列夫的忠告不感兴趣。耗油多吗?多灌点油就是了,重要的是要抢在西方前面,以显示社会主义优越性。图波列夫做到了,在 68 年 12 月 31 日,图-144 抢在协和式之前两个月首先试飞,69 年 6 月 5 日首先达到超音速,69 年 7 月 15 日首先达到两倍音速。长期以来,图-144 被揶揄为“协和斯基”,以暗示苏联抄袭协和式的设计。和许多类似的指控一样,这是十分不公正的。在相似的技术条件和思路下得出相似的技术结论,这种事情屡见不鲜。60-70 年代苏联工业间谍活动猖獗,和协和式有关的间谍案有好几起,但这不等于图-144 就是抄袭的。图波列夫设计局肯定研究过偷来的协和式的数据和图纸,但主要用来避免在技术上走弯路,和对症下药地赶超英法。事实上,图-144 的机身比协和式长而且宽,图-144 式每排 5 座而不是协和式的每排 4 座。图-144 的发动机更紧贴机身,而不是协和式那样分得较开。图-144 的机翼是简单的双三角翼,气动性能上不及协和式的远为复杂的 S 形前缘三角翼。图-144 的可折叠的鸭式前翼大大改善了低速飞行和起落时的控制性能,这又领先于协和式,以至于多年后英法在研制协和式的后继机时也增加了鸭式前翼。不过图-144 的起飞着陆速度很高,以至于有必要采用民航飞机中十分罕见的阻力伞,给航班运营带来了不小的麻烦。

图-144 的雄姿,载客 140 人,速度 M2.2,航程 6,500 公里,77 年 12 月年投入航班服务,6 个月后退出正常航班,但是包机飞行仍继续了一段时间,现在也全部停飞了

着陆时的图-144

图-144(上)的发动机明显比协和式(下)的要向中间靠拢,因此协和式在发动机内侧还有襟翼,而图-144 没有,这是一个显著的气动设计上的差别,就凭这,图-144 也没法抄协和式的

图-144 着陆时放出阻力伞,这对军用飞机没有问题,对频繁起降的民航飞机就是一个很大的麻烦

图-144 苏联民航涂装

  作为新兴的超级大国,美国已经在第一代喷气客机之战中夺取了领导权,波音 707 和 DC-8 像潮水一样灌向世界的民航市场,自然不会坐视欧洲和苏联在有关国家声望的超音速客机之战中领先。波音在 52 年就开始关注超音速客机的问题,58 年组织起研究小组,60 年开始,每年投入 1 百万美元,准备大干快上了。62 年英法和苏联都开始正式研制超音速客机时,美国联邦航空署 FAA 也提出了自己的超音速客机计划。敢为人先的 Juan Trippe 指令泛美航空公司在 63 年 6 月 3 日向英法意向性订货协和式一天之后,肯尼迪在 63 年 6 月 4 日,在科罗拉多泉新建的空军学院毕业典礼上,指令启动美国的超音速客机计划。拟议中的美国的超音速客机要更大、更快,要求达到 250-300 人的载客量和三倍音速的速度,航程不光要能够覆盖北大西洋航线,还要能够覆盖太平洋航线。NASA 对超音速客机积极研究,波音、洛克希德、道格拉斯和北美洛克韦尔都推出了自己的研制方案,通用电气和普拉特·惠特尼也分别提出了各自的发动机方案。

NASA 测试过的几种超音速客机模型

北美洛克韦尔基于 B-70 轰炸机的经验,研制了这个超音速客机的方案

比声音还快(上)——漫谈超音速客机:美国的方案

  洛克希德的 L-2000 方案介于协和式和图-144 之间,只是比两者都要大一号。L-2000 采用双三角翼,翼下四台发动机,布局循规蹈矩,不过因为“美英一家”的缘故,没有人指责洛克希德抄袭英法。道格拉斯的方案和洛克希德的方案大同小异。

洛克希德的 L-2000 模型

洛克希德 L-2000 三视图

洛克希德气动外形的演进

洛克希德最后采用简单的双三角翼布局,双三角翼延伸到接近机头的地方

洛克希德想像的机场的情景,比同在登机楼的波音 707 一级的亚音速客机长了几乎 50%

L-2000 也进入了全尺寸模型阶段

洛克希德的公关没有闲着,将全尺寸模型当模特表演台了,值得注意的是 L-2000 的机窗,比饭碗大不了多少

  波音开始时的方案也研究过无尾大后掠三角翼,但是在竞争 TFX(最后通用动力胜出,推出 F-111)时,波音积累了相当的变后掠翼的设计经验,引起波音超音速客机研制人员的强烈兴趣,在波音内部的竞争中,变后掠翼胜出,公司代号波音 733。但是洛克希德和道格拉斯都用 2000 作为代号,分别为 L-2000 和 DC-2000,意喻 21 世纪的超先进技术,波音也不甘落后,最后将波音 733 改名为波音 2707,既有 21 世纪的含义,又提醒人们波音 707 将民航推入了喷气时代。波音 2707 的方案几经变更,从波音 2707-100 演变到-200,载客从 150 逐渐增加到 250,最后达到 300 人以上,发动机从机身下集中的四发(类似 B-1 轰炸机)变到平尾下的四发,速度从 M3 降到 M2.7,航程 6,440 公里(-300 增加到 6,760 公里)。波音 2707-200 的变后掠翼可以在 20-72 度后掠角之间变化,在不牺牲超音速巡航性能的前提下,优化低速起飞、着陆和亚音速巡航的性能。后一点十分重要,因为波音已经意识到噪声和音爆的问题,小后掠角可以以较低的速度起飞、着陆,大大减低噪声;音爆将使超音速客机在大陆上空被迫以亚音速飞行,所以亚音速将不仅仅是过渡阶段,可能有相当一部分航线将以亚音速飞行。在机翼后略到最大角度时,机翼后缘和平尾前缘重叠,形成完整的大后掠三角翼,在保持“合成”机翼的相对厚度条件下,容许机翼厚度增加,简化结构设计和增加翼内载油量,这一点和 F-14 非常相似。和 F-14 不同的是,波音 2707-200 的四台发动机安装在尾翼下,这是一个十分独特的设计。发动机安装在机尾并不罕见。飞机速度增高时,气动升力中心不断后移,而重心保持不变,自然形成一个低头趋势,需要压平尾来恢复水平,这个动作称为配平。压平尾形成的向下气动压力增加了阻力,称为配平阻力。机尾发动机的重量形成自然的配平力矩,减少配平阻力,这是为什么 60 年代尾置发动机布局十分流行的重要原因。尾置发动机的另一个好处是,发动机远离机舱,噪音较低。尾置发动机在机械故障、涡轮盘碎裂时,碎片不易伤及乘客,对安全性要求及其严格的客机也是一个有利因素。但是尾置发动机一般离地较高,维修不便。波音将发动机安装在水平尾翼下,既利用了尾置发动机的优点,又避免了维修不便的问题,是一个不错的主意。对于波音 2707-200 这样的变后掠翼飞机来说,固定的尾翼下的发动机还避免了常规的翼下发动机的麻烦,因为机翼后略角变化时,翼下发动机必须同步偏转,以保持和前进方向一致。B-1 轰炸机那样在翼根下密集安装发动机的做法对客机不合适,发动机的噪音和振动离机舱太近,这也是波音 2707-100 演变为-200 的一个重要原因。

 

波音的超音速客机方案一直在改来改去,这是几个早期方案

变后掠翼的波音 2707-100,发动机像 B-1 轰炸机一样在靠近机身的下面

变后掠翼的波音 2707-200,发动机移到平尾下去了

波音 2707-200 的全尺寸模型

波音 2707-200 的尺寸很大,座位将为横列 7 座,采用 2+3+2 布局,有两条走廊

波音 2707-200 的三视图

波音 2707-200 的布局也几经变化,这时加上了鸭翼,以改进气动控制

为了满足面积律的要求,机身有一定的“蜂腰”,所以座位布置前后不同

为了改善起落时的视界,波音 2707-200 的机头锥可以分两截下垂,这样既容许下垂角度增加,又不至于触地,但是机械复杂程度大大提高,样子也是怪怪的

泛美涂装的波音 2702-200

别一看美国空军的标志,就以为这是运送美国小兵的,没那么好的事。60 年代末的时候,正好“空军一号”要更换的时候,当时动过念头,用波音 2707 来接替波音 707 的“空军一号”

由于机身太长,变后掠翼的气动特性变化太大,需要很多的控制面开控制飞行,L-2000 只有 16 个气动控制面需要控制,波音 2707-200 竟然有 59 个!既增加了重量,也是飞行控制大大复杂化

  由于超音速客机研制耗费巨大,英法在政府资助下研制协和,苏联就更不用说了,当然是政府出资,于是美国也破天荒,像研制军用飞机一样,厂家竟标,国会拨款,研制美国的超音速客机。不过美国国会并没有爽爽气气地出于“爱国主义”而拨款。FAA 的头儿 Najeeb Halaby(阿拉伯裔美国人,离开 FAA 后接 Juan Trippe 的位置,担任泛美的总裁)游说航空公司,动员他们预先为每架订货付 10 万美元的定金,FAA 将这些定金收集起来交给入选的超音速客机厂家做研制经费,FAA 同时到国会游说更多的投资,入选厂家以后按出售飞机的分成偿还国家的投资。道格拉斯和北美没有进入竞标资格,竟标在洛克希德 L-2000 和波音 2707-300 之间进行。竞标结果,波音 2707-300 胜出,大概有一点波音 2707-300 的外形更独特、没有“和协和式一样”之嫌的因素,据说也和洛克希德已经赢得了 C-5 的合同有关。

比声音还快(上)——漫谈超音速客机:变后掠翼

  FAA 在主持超音速客机的研制的同时,还在通用电气和普拉特·惠特尼之间竞选适用的发动机。通用电气的 GE4 涡喷发动机从 B-70 超音速轰炸机的 J93 发动机发展而来,普惠的 JTF17 涡扇发动机落选。

波音 2707-200 上巨大的通用电气 GE4 涡喷发动机,推力达到 311kN

  但是天下没有免费的午餐。变后掠翼应该尽量缩小固定段,加大可动段,以强化变后掠翼的效果。但是为了容许可动的外翼达到大后掠,转轴必须向外移动,否则外翼的“翼根”在大后掠时就要切入机身了。主起落架的布置也要求固定段向外延伸,以保证起落架有足够的横向稳定性。外延的固定段的厚度一方面增加阻力,另一方面使机翼的厚度不均匀,连接部在气动上的不连续也大大影响了机翼的气动效率。更要命的是,为了容纳可变后掠角的机翼,固定段内大量体积不能用来装载燃油,可动的外翼也不适宜装载太多的燃油,这样只能加长、加宽机身来装载燃油,结构上的空间利用率相当糟糕。这还没有考虑变后掠翼固有的机械复杂性和可靠性问题,以及本身的重量代价。超重问题还没有到此为止。由于机身极长(达 97 米,大大超过了波音 747 的 71 米),发动机在机尾,在很大一个速度范围内,还是需要用配平力矩来保持平衡,所以增加了鸭式前翼。但这样一来要求增加超长的机体的刚性,好在空中不至于像面条一样扭来扭去。机翼和尾翼也有同样的结构刚性增强的问题。结构加强就意味着额外的重量,到 68 年,FAA 的项目评估伤心地写道:“波音 2707-200 的航程可以空载飞越大西洋,或者满载飞到大西洋的中间”。这显然是远远不符合要求的。没有办法,波音被迫再重起炉灶,推出了较常规的波音 2707-300 方案。-300 方案放弃了变后掠翼,改用常规的三角翼,但保留平尾,从某种意义上讲,有点像一架大大放大的歼-8。4 台发动机也搬家到常规的机翼下。

三角航空涂装的波音 2707-300 超音速客机想象图

60 年代是美国人最牛气的时候,阿波罗宇航员把美国国旗插到月亮上去了,涂着大大的美国国旗的超音速客机在世界的上空耀武扬威是很合美国口味的事

波音 2707-300 的全尺寸木质模型,只有左半。10 亿美元的投资,最后只有这么一件看得见、摸得着的东西。计划下马后,模型以 9 万美元的价格卖出去,大概卖的是木头的价。今天只有机头还保存在博物馆

几种超音速客机的大小对比:从上到下:波音 2707-300、洛克希德 L-2000、协和式、图-144

  尽管波音 2707 和波音 747 的工程开发是在同期进行,但 747 是“自费”项目,2707 是“公费”项目,自然成为波音的头号重点。68 年波音 2707-300 进入了原型研制阶段,向公众展示了全尺寸模型,计划 70 年首飞;生产型预计 69 年开始制造,72 年首飞。但这个时候,风水变了。

  60 年代是一个动荡的年代。美国在越南陷入了深深的泥潭,在政治和经济上第一次尝到虚弱的味道。美国国内的民权和自由化运动风起云涌,公众对保护自身利益和保护环境的意识空前高涨,超音速客机的音爆、污染和对臭氧层的破坏,激起了公众对超音速客机的强烈反对。

  如前所述,超音速飞行时,引起 N 形波,N 形波的前锋和后缘的空气密度急剧增高,传到人耳里,就是强烈的爆炸一样的声音,一般称为音爆(sonic boom)。事实上,炸药爆炸的巨大响声就是突然和急剧地压缩空气的结果。N 形的激波像两把撑在飞机一前一后的伞一样,向地面延伸,所以音爆总是“砰砰”地接连两声。飞机越大,速度越快,音爆越强烈。音爆现象早就为人们所熟知,但研制超音速客机之初,人们错误地认为,只要飞得足够高,音爆应该不成问题。在试飞 3 倍音速的 B-70 轰炸机时,这个观点被粉碎了,在两万米高度飞行的 B-70 仍然能够产生强烈的音爆。更加严重的是,客机的噪声污染将不再局限在机场周围,而是泛滥到所有航迹所及的地方,同时将不分昼夜。为了测试超音速客机频繁飞行产生的音爆对城市居民的影响,FAA 和美国空军在 1964 年在俄克拉荷马市(Oklahoma City)进行了为期 6 个月的音爆试验,每天由空军的超音速飞机(主要是 F-104 和 B-58,偶尔也有 F-101 和 F-106)飞越城市,产生  8 次音爆,音爆强度远远不到震碎玻璃的程度,以测定对居民生活的影响。由于市民事先得到通知,知道音爆的准确时间,所以开始时市民并没有太在意,有些施工工地的工人甚至一听到音爆,就知道喝咖啡休息的时间到了。但是没有多久,玻璃开始震碎,墙壁开始开裂,市民们开始愤怒,而 FAA 充耳不闻,对市民的赔偿要求不理不睬,进一步加剧了市民的愤怒,很快发展成政治事件,抗议、投诉、索赔像雪片一样飞进各级政府和主持试验的 FAA,以后发展成市民对政府的官司。俄克拉荷马市的音爆试验在很大程度上促成了对超音速飞行的极端负面的公众舆论,为日后在大陆上空禁止民航超音速飞行种下了种子。

比声音还快(上)——漫谈超音速客机:音爆

美国海军“蓝天使”飞行表演队的一架 F-18 在水面上超低空超音速飞行,激波在水面留下一条航迹,这要是地面,单薄一点的房子都可能被震倒

  除了音爆外,超音速客机的涡喷发动机是为超音速巡航而优化的,迎风截面小,喷气速度高,起飞、着陆时还要打开加力,这样在起飞、着陆时的噪音异常尖利、响亮,造成很大的噪声污染问题。高空飞行对臭氧层的破坏是有案可查的,只不过军用超音速飞机一般还是以亚音速巡航,但大量的民航超音速飞行对臭氧层的影响,引起公众极大的疑虑,毕竟热爱在太阳下“烤肉”的人们不希望增加患皮肤癌的可能。虽然后来被证明为夸大其词,亚利桑那大学的科学家在国会作证,500 架超音速客机在美国上空夜以继日地穿梭飞行,将每年增加 1 万名皮肤癌患者。限于发动机技术,超音速客机的发动机在低速时的推进效率较差,燃烧也不好,协和式起飞时遮天蔽日的黑烟,引起对环境污染日益敏感的公众极大的不满。

看看这黑烟,已经飞起来了,还是那么厉害。这还是客气的,看看下一张

这个怎么样?环保组织不砸上门来才怪

  公众的反对只是问题的一半。为了最大限度地减小超音速巡航阻力,超音速客机的机舱截面尺寸都是尽可能小,这样一来,机舱十分局促,不利于增加载客量。超音速客机需要异常长的跑道,不仅限制了可以起降的机场,也增加了航空公司的运营成本,机场当局是不会让你免费使用额外资源的。由于波音 747 和其他宽体客机的出现,亚音速客机的载客量大大超过超音速客机,而单位燃料又大大降低,协和式的人-公里油耗达到 3.5 倍于波音 747,使本来对超音速客机有利的经济算盘全颠倒了过来。更要命的是,第一代超音速客机的航程很尴尬,用作跨越大西洋的飞行足够了,但是跨越太平洋还不够。旧金山到东京的航线必须在夏威夷或中途岛停一下,加油再飞。这样一来,不需要中途加油的高亚音速的波音 747 反而可以先抵达东京,747 宽大的机舱还为旅客提供了舒适得多的环境。而这时正好是超音速客机十月怀胎的关键时刻。

  协和式客机正在准备进入航班服务的时候,一头撞上了公众的反对,73 年的石油危机成为压断骆驼脊背的最后一坨巨石,各国航空公司本来争先恐后下的订单,一夜之间全挥发了。14 架生产型协和式中,只有 9 架是“按标价”由政府补贴出售给英国和法国的国营航空公司的,剩下的 5 架全是以 1 英镑或 1 法郎的象征性价格无偿转让的。英法从来没有公布过协和式计划的总投资,后人估计达 76 年币值 11 亿英镑,或者 2000 年币值 110 亿美元。在惨淡经营近 30 年后,协和式遇上 911 和 Gonesse 的空难,最后于 2003 年 9 月退出航班服务,所有剩下的飞机都散失到各地的博物馆去了。有趣的是,老对头波音在西雅图的飞行博物馆里收藏了一架,当年差点要了协和式的命的纽约,也在无敌号航母博物馆里收藏了一架。

Gonesse 的空难对协和式是灾难性的

向老兵最后的敬礼

在德国 Sinsheim 的科技博物馆里,协和式和图-144 终于和平共处。Sinsheim 是一个好博物馆,在斯图加特和曼海姆中间,收藏有飞机,有汽车,一定要去

纽约的协和式停放在驳船上

  苏联的图-144 尽管抢先首飞,但是问题多多,反而在协和式之后投入载客航班运行。先于 75 年 12 月 26 日在莫斯科到哈萨克首府阿拉木图之间开通一条航线,只运邮件和货物,不载客。看来苏联对图-144 也没有信心。77 年 12 月开始,莫斯科-阿拉木图航向开始载客。但是燃油系统的一个设计问题导致 78 年 5 月 23 日一架图-144 在空中大量泄漏燃油,导致一台发动机起火,飞行员成功地把飞机降落了下来,但是两名机组人员不幸丧生。此后在地面试车中,又一台发动机爆炸。一个月后,图-144 载短短 6 个月载客飞行后,就停止了载客航班飞行。此后图-144 断断续续地复飞过,航迹远达远东的哈巴罗夫斯克,但都是包机、专机飞行,再也没有飞过正常航班。图-144 生产型的总产量也只有 14 架,成为盲目的“为国争光”的牺牲品,极大地浪费了珍贵的国家资源。在此之前,图-144 还出过一次采。在 73 年巴黎航展时,看到同台演出的协和式在航展的低空低速范围内有很出色的表现,图-144 为了在西方面前露一手,接连做了几个高惊险动作。但是在表演完毕着陆时,下错了跑道,飞行员在恼怒中猛然拉起,作了一个陡直的爬升,在改出的时候,动作过猛,导致发动机全部熄火。这是发动机紧密布置在一起特有的问题,称为 sympathetic flame out 是由于进气道在气动上紧密交联而引起的。飞行员可能为了利用气流重新启动发动机,将飞机带入俯冲,但高度不够,发动机还没有启动,已经快要触地了。在企图拉起时,超过机体结构强度,当场空中解体坠毁,造成一时轰动。不过这是西方官方的说法,民间有别的说法,其中一个说法是法国空军的一架幻影战斗机紧追不舍,要近距离看个究竟,图-144 为了避让,做出过火机动,导致事故。不过航展所在的布尔歇机场周围的可见度很好,图-144 的整个航线都在航展观众视界之内,至今为止,没有看到照片证明当时有幻影在场。另一个说法是黑匣子当时就找到了,原因也很清楚,苏联为了做惊险动作,在表演前临时对飞行控制系统作了小修改,放宽极限,但改出了问题,苏联只好打碎牙齿往肚里吞。这个说法的可能性比较大。事实如何,还有待知情人讲那“不得不说的故事”了。

比声音还快(上)——漫谈超音速客机:运营

73 年巴黎航展时图-144 失事,从左到右:猛然拉起,急剧俯冲,空中解体,坠毁

  尽管图-144 在 78 年久停止了航班飞行,但是图波列夫工厂还是不可思议地继续制造图-144,最后一架在 84 年出厂,苏联用这架飞机进行了一些高空臭氧破坏研究,封存之前只有 83 小时的飞行时间。96-97 年间,NASA 和俄罗斯合作,将这架图-144 进行了大量的改装,使之恢复飞行状态,用来做超音速飞行的研究。不过图-144 只有打开加力才能达到 2 马赫,否则只能以 1.6 马赫巡航。协和式也需要在起飞和加速时打开加力,但是达到 2.2 马赫的巡航速度后,只需要非加力推力就可以维持速度。由于种种技术原因,96-97 年图波列夫和 NASA 合作期间,速度限制在音速以下,所以到底对 NASA 的超音速研究起到多少作用,也只有天知道。由于这架图-144 换装了图-160 轰炸机的新型 NK321 发动机,俄罗斯军方不准出境,所有飞行全部在俄罗斯空域进行。这个计划在 99 年中止。不过这都是后话了。

  图-144 的问题波音不以为然,但协和式的问题波音不得不在乎。波音一方面胆战心惊地看着协和式像怒海中的扁舟一样被公众舆论的口水所淹没,另一方面被波音 2707-300 的种种技术难题搞得焦头烂额。机体所需的新型钛合金还在研制中,预算严重超支,工期严重拖延,前景一片阴暗。在这当口,美国国会帮波音了断了这桩烦心事:在花了当时币值 10 亿美元之后,于 71 年中止对美国超音速客机计划的一切拨款。波音受此冲击,差点一口气接不上来,其间的辛酸在“波音的故事”中有所叙述。FAA 从此失去了主导民航飞机科研的权利,NASA 接受过去,不光主持宇航科研,也开始主导民航科研。后人评论,如果美国当时选技术上稳妥一点的洛克希德 L-2000 方案上,或许不至于拖到风水转了还在十月怀胎。不过这个事情难说,没准坚持到投产了,最后成为更大的鸡肋,损失更大。超音速客机下马,西雅图也不全是损失。67 年美国 NBA 要在西雅图拉一个球队,公开征求名字,当时美国除了阿波罗外,形象工程就数波音的超音速客机了,于是西雅图的 NBA 球队 就成了“超音速队”(The Supersonics)。时间久了,超音速客机也下马了,超音速队就被简化为音速队(The Sonics)了。

 

  协和式客机载公众反对的惊涛骇浪中,终于战战兢兢地投入航班服务。但是协和式的首选目的地纽约在公众舆论的反对下,决定禁止协和式在纽约起陆。还好上帝关闭一扇门,总是打开一扇窗。华盛顿机场决定容许协和式起落,尽管协和式在进入美国大陆上空后必须减速至亚音速以避免音爆的问题。协和式的主要航线在大西洋上空,音爆不是问题。高空超音速飞行对臭氧层的影响被证明是夸大其词,飞机起落时的发动机黑烟问题也逐渐得到缓解。势利的纽约人不堪忍受华盛顿有协和式的航班而纽约没有,也容许协和式在纽约起降了。廉价航空的先驱 Braniff 和英航达成协议,将华盛顿的航线延伸到休斯敦,当然整个大陆航段都是亚音速的。新加坡航空公司也和英航协商,开辟伦敦到新加坡的超音速航线的事宜。美国又坐不住了,开始在 80 年代研制第二代超音速客机,英法也跟进,研制协和式的后继。苏联正好陷在阿富汗的泥潭里,但是没有放弃,也提出了纸面上的方案。

曾经订购协和式的几个航空公司的想象涂装

新加坡航空公司曾租用一架英航的协和式试航新加坡航线,左面是新航图装,右面是英航涂装

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