比声音还快——漫谈超音速客机

万磁王

作者：晨枫


　　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。

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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

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　　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

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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。

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　　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

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　　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

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　　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

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　　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。

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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

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　　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