超音速豪赌，“协和”客机悲剧史

源济

超音速豪赌，“协和”客机悲剧史

原创 Armstrong 空军之翼 2020-08-03

　　英法“协和”是一架独特而优雅的超音速客机，外形流畅极具现代感，但经过四分之一世纪服役后，该机仍黯然退役，标志着超音速客机时代的终结。在这个过程中，“协和”又经历了什么？

英法合作

　　上世纪50年代，世界先进航空大国都卷入超音速客机研发热潮。1956年英国飞机和发动机制造商、航空研究结构和英国政府成立超音速运输机委员会，研究超音速客机的各种可行性。到60年代初，英国飞机公司（BAC）牵头研究的无尾三角翼布里斯托223概念已经非常完善了。但要研制耗资如此巨大的超音速客机，英国意识到需要与其他国家合作。

50年代主要超音速客机方案同尺寸对比

　　法国南方飞机公司（Sud Aviation）此时也在研究“超级快帆”（Super Caravelle）超音速客机概念，布局与布里斯托223相似，因此成为英国的天然合作伙伴。与法国设计相比，布里斯托223拥有更大航程，并且能飞越大西洋。英国和法国一拍即合，决定共同研制中程和远程超音速客机，双方在1962年11月签署了正式合作协议。

“超级快帆”模型

　　根据协议，BAC和Sud（后来并入法国航宇Aerospatiale）负责生产机身，英国布里斯托·西德利（后来并入罗罗）和法国斯奈克玛（SNECMA）公司负责生产发动机。虽然两国共同承担该项目全部责任，但由于语言和文化的不同，以及研制超音速客机关乎各自的民族自豪感和国家声望，这种合作不可避免地遭遇到挑战。一个例子就是英制和公制之争，最后英法还是决定使用各自的度量衡单位，导致大量换算工作。另一个例子是飞机名称，双方同意将该机命名为“协和”，但在一番争论后采用了法语单词“Concorde”而不是英语单词“Concord”。

　　“协和”客机保留了布里斯托223和“超级快帆”的无尾三角翼布局，细长的飞镖状机身和拉长的三角翼将超音速飞行阻力降到最小，同时能起降和亚音速飞行中保持轻松控制。

1962年范保罗航展上的“协和”模型

设计难点

　　“协和”的最佳巡航速度一开始被设定2.2马赫，主要取决于三个因素。首先是机身结构温度在超音速飞行中会迅速上升，到2.2马赫时就达到了铝合金结构极限，更高的速度则需要使用不锈钢或钛合金来制造飞机。

制造中的“协和”客机

　　第二个因素是随着速度的变化，需要实现空气动力学效率和推进效率之间的平衡。当速度超过0.8马赫后，气动效率会随之恶化，先是到1.4马赫的急剧下降，然后到3马赫之前较为缓和的下降。但涡喷发动机的推进效率在3马赫之前会随着速度的提高而提高，最终使超音速客机在2马赫的总体效率与亚音速相当。

　　第三个因素是在速度超过2.2马赫后，需要减小翼展以保持低阻力，但是这样会损害低速操纵性能。最后英法设计团队认为客机速度超过2.2马赫后的研制时间和成本都会大幅增加，再后来出于结构上的考虑，“协和”的最大设计速度被降低到2.02马赫。

　　“协和”的尖拱形三角翼等比缩小后在一架经过特殊改装的BAC 221验证机上进行了试飞。由于“协和”会遭遇相对较高的气动加热，意味着必须考虑高温蠕变导致的金属变形。为了应对这一挑战，工程师在重点部位采用了为燃气轮机叶片开发的抗蠕变铜基铝合金材料，还使用少量的钛、不锈钢和铬镍合金来制造发动机舱、驾驶舱玻璃和机舱舷窗。

BAC 221验证机

诸多挑战

　　“协和”的推进系统将必须在连续两个多小时的超音速飞行中产生推力，而且要在亚音速和跨音速飞行中产生足够推力，由于在此速度范围内发动机对气流需求变化很大，因此为“协和”研制推进系统是一项兼具挑战。早在1962年11月的协议中，布里斯托尔·西德利的“奥林巴斯”（Olympus）发动机就被确定为“协和”的动力装置。“奥林巴斯”的第一种生产型已经在1956年随亚音速阿芙罗“火神”（Vulcan）轰炸机进入英国空军服役。到1962年，为BAC TSR-2超音速轰炸机研制的“奥林巴斯”加力超音速版本问世，这将成为“协和”翼下4台“奥林巴斯”593发动机的基础。

“奥林巴斯”593发动机

　　对发动机的一项关键设计要求是即使飞机以超音速飞行，通过发动机的气流也必须是亚音速的。因此工程师设计了一套复杂的系统来调节进气，该系统包括可变进气斜坡、辅助进气门，第二股空气进气门、地面运行风门组成，并让高温燃气通过主喷管和和副喷喷管的引导离开发动机。起飞时，进气斜坡和辅助进气门完全打开以实现最大气流摄入。起飞后随着加力燃烧室关闭，发动机推力降低，通过打开第二股空气进气门形成发动机舱气流，并进一步打开辅助喷管来降低噪音。超音速时，通过降低进气斜坡使进气减速至亚音速，斜坡产生的激波能有效降低进气空速。

“协和”复杂的推进系统

　　对于超音速客机来说，另一个挑战是气动中心（沿机身的举升作用点）与重心之间的关系。在整个飞行过程中，两个中心必须保持正确关系。“协和”从亚音速到超音速，气动中心向后大幅移动，因此该机的前后油箱会根据需要从主油箱调整燃油，依据气动中心的运动来调整重心。

　　三角翼飞机有陡峭的降落和起飞迎角，所以高速三角翼飞机一般具有较长鼻锥，这妨碍了飞行员的向下视野。为了改善飞行员视线，“协和”的机鼻被设计成可动式，在起飞和降落时分别下垂5度和12.5度。下垂机鼻是费尔1.73马赫的“德尔塔2”验证机首创，并经过BAC 221的验证。“协和”机鼻抬起后，独立调节的透明遮阳板可保护驾驶舱风挡免受气动加热和超音速气流的影响。

“协和”客机机鼻完全下垂状态

一鸣惊人

　　两种型号的“协和”尺寸相同，中程型将有100个座位，远程型有90座。英国的远程型拥护者认为，远程有助于使超音速客机缩短与亚音速客机的经济性差距，并且随着项目的进行，航空公司也显示了对远程型的偏爱，因此该型号被决定首先研制，并且中程型最后被最终放弃。此外航空公司也对更大的载客量感兴趣，这需要更大的发动机推力，最终导致“奥林巴斯” 593B发动机的问世，使“协和”载客量增加到118座。经过修改的“协和”于1965年初完成设计，并于当年晚些时候开始制造两架原型机。

地面测试中的“协和”原型机

　　1969年3月2日，第一架“协和”原型机从法国图卢兹首飞。第二个月，第二架原型机从英国布里斯托尔的菲尔顿首飞。首架原型机在1969年10月实现了超音速飞行，两架飞机均在1970年11月到达2马赫，随后开始持续2马赫巡航试飞，这是之前任何客机从未实现过的。1972年7月，英国海外航空公司（BOAC）和法国航空公司订购了9架“协和”，首架生产型飞机于1973年12月首飞。

　　“协和”于1972年9月首次飞向美国，前往达拉斯沃思堡，然后再飞往华盛顿特区附近的杜勒斯国际机场。在1974年6月的一次壮观演示中，一架法航“协和”从波士顿飞往巴黎，同时法航一架波音747从巴黎飞往波士顿。“协和”抵达巴黎后在地面上停留了68分钟然后又起飞返回波士顿，结果降落波士顿后11分钟，747才抵达这里。

“协和”首飞

商业运营

　　“协和”1976年1月21日开始开始执飞商用航班，BOAC的继任者英国航空公司使用该机飞伦敦-巴林航线，法航用该机飞巴黎-里约热内卢航线，中途降落达喀尔。但“协和”开辟美国航线非常不顺利，1975年12月由于噪音问题，美国众议院投票禁止“协和”在六个月内降落美国。1976年2月英航和法航获得批准，可以试运行飞往纽约和华盛顿的有限数量“协和”航班，为期16个月。但当年三月，纽约港务局禁止“协和”降落其机场，因此英航法航的首批“协和”定期跨大西洋航班仅能飞往华盛顿。“协和”在5月24日开始飞向美国，当时两架飞机编队飞越华盛顿市，然后在杜勒斯机场的平行跑道上同时降落。“协和”跨大西洋飞往纽约的航班由于噪音抗议而被进一步推迟，直到1977年11月22日才正式启动。

1979年英航和法航的“协和”在沃斯堡机场

　　“协和”在服役生涯中主要飞跨大西洋航线，尤其是飞往纽约。1979年1月，美国布兰尼夫国际航空公司通过租借“协和”开通了华盛顿-达拉斯-沃思堡的国内航线，但由于乘客人数少和燃油成本高于1980年6月停止。“协和”超音速飞行使产生的激波使其被禁止在陆地上空进行超音速飞行，导致飞行效率低下，进一步推高了票价。

　　最终仅有14架“协和”投入服役，英航和法航各7架，对该机的市场预测从未实现。到21世纪初，“协和”的服役寿命已接近尾声。2000年7月25日灾难发生了，法航一架“协和”飞机从巴黎起飞时坠毁，机上所有109人和地面四人遇难。法国调查人员发现事故是“协和”爆裂的轮胎残骸击穿机身油箱导致的，轮胎可能被前面起飞的DC-10发动机上脱落的金属条刺穿。

“协和”悲剧

　　这起事故直接导致“协和”在英国和法国的适航证被吊销，所有飞机停飞接受更坚固的轮胎、新的燃油箱衬里和附加电气屏蔽的改装。2001年9月，英国和法国对经过改装的“协和”进行了认证，两家航空公司于11月恢复了“协和”航班。但不久后的2003年4月10日，两家公司宣布“协和”将在10月底进行最后一次商业飞行，英航表示该决定出于商业原因。

　　归根结底，“协和”永远不可能像亚音速客机那样高效。在环保意识日益增强的时代，该机的音爆、噪音和发动机排放逐渐变得难以接受。不过“协和”凭借五十年前开发的技术，作为超音速客机持续服役四分之一世纪，试图与亚音速客机在经济性上进行竞争，这本身就是一个了不起的成就。

Elephant

看起来太平洋还没有被飞过