超音速豪赌，“协和”客机悲剧史

万磁王

作者：Armstrong
来自空军之翼


　　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？

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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

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　　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

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　　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

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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

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　　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

                                                                                                                                                   

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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

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　　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

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　　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

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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