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天鹅之歌——纪念协和式超音速客机

发布时间:2013-04-12  原作者:晨枫   点击数:

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  四十年前,蓝湛的天空在巨大的滚雷声中,划过一道洁白的身影。但这不是四十而不惑的故事,这是四十而哀思的故事。这是协和式的故事。这是一曲天鹅之歌。

1969 年 3 月 2 日,协和式在图卢兹首飞成功

1969 年 4 月 2 日,英国的协和式也首飞成功

  1969 年 3 月 2 日,英法合作的协和式飞机进行了首飞,距今正好 40 年。超音速飞行已经 60 年了,军用超音速飞行早已不新鲜,但这是世界上第一架也是唯一一架按照不需要空中加油而能够越洋超音速飞行设计的飞机,至今后无来者,如果不算短命的图-144 的话。B-58 需 4 次空中加油才能飞越大西洋,SR-71 从英国到利比亚侦察来回需要 8 次空中加油,图-22M“逆火”是按照超音速冲刺设计的,图-160“海盗旗”具有长时间超音速巡航的能力,但也不是按全程超音速设计的。

  在二战后期,活塞式发动机功率大幅度增加,喷气发动机技术也崭露头角,人们开始冲击音速。但飞机速度接近音速时,阻力急剧增加,形成所谓的“音障”。然而,突破音障后,阻力反而下降。速度超过 M1.5 后,如果速度增加一倍,阻力下降 50%,那相当于在同样载客量的条件下,M0.8 的亚音速客机用来跑三个航次的燃油,M1.6 的超音速客机可以跑四个航次。从 1954 年开始,英国的皇家飞机研究中心(Royal Aircraft Establishment)就开始研究超音速客机的问题。由于发动机推力不足,超音速的重点只有减阻,机身十分细长,机翼短小纤薄。RAE 的概念设计以英美之间的北大西洋航线为基准航线,但是 136 吨的起飞重量已经和波音 707 相当了,载客量却只有区区 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美国的波音和道格拉斯占去了。二战之后的英国虽然病弱,但科技实力和争霸雄心依在。1956 年,B-58 超音速轰炸机首飞成功,具有空中加油后飞越大西洋的能力,这刺激起英国借超音速客机在民航客机领域夺回领先地位的雄心。RAE 出面设立了超音速运输机研究委员会(Supersonic Transport Aircraft Commission,STAC),集中研究超音速客机的技术问题和经济性问题。

亚音速的时候,飞机前进推出的压力波会以音速向前传递,“推开”前方的空气;在音速的时候,压力波失去向前传递的作用,叠到了一起,形成激波

风洞图像可以直观地看到这一点

突破音障的瞬间,激波的前锋压力急剧增高,锋面后压力急剧下降,在特定的大气条件下,可以看到激波的样子

但超过音速之后,阻力反而下降

这个现象在 30-40 年代就为人们所知,但那时对于跨音速时的飞行特性一无所知,这才有了后来遇上音障是不知所措的事情

  飞机在达到超音速之后,阻力上升放慢,但机翼的升力系数下降加速,M2.0 的时候大概只有 M1.0 的一半。这样一来,阻力实际上得失相抵。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,超音速客机只有具有在相当的载客量时在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 M2.2 为宜。速度更低将难以保证在伦敦和纽约之间当天来回,大大降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。

  STAC 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中,得出和 STAC 大体相同的结论。

  为了进一步研究技术细节,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。Fairey Delta 是第一个采用无尾三角翼布局的喷气式研究机,按英国人的说法,法国的幻影战斗机的无尾三角翼布局也是“偷”Fairey Delta的。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;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;BAC221 研究机着重研究 S 形前缘无尾三角翼的气动特性;三角翼的“火神”轰炸机则用来试验“奥林普斯”发动机。

Fairey Delta 三角翼研究机前后有三代,这是第一代

第二代 Fairey Delta 2 已经很有现代无尾三角翼的样子了

Fairey Delta 3 最终停留在纸面上

BAC 221 着重研究 S 前缘三角翼的特性

Henley Page P115 着重研究无尾三角翼的横滚特性

布里斯托尔 188 则研究用不锈钢作为飞机材料的问题

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