3倍音速之梦

黄陈子亨

     

	美国超声速客机也由政治推动 要求美国政府支持研制速声速客机的呼声很高 上世纪50年代，当第一代喷气式客机还处在研制阶段时，美国一些有实力的航空制造企业，如波音、道格拉斯、洛克希德及北美等就已经看到了超声速客运的潜力。1960年6月30日，美国科学和航空航天委员会要求国会支持研制超声速客机，这个委员会同时还建议终止3倍声速的XB-70战略轰炸机项目，并将XB-70已经取得的技术成果运用到超声速客机上。 更早之前，NASA也曾于1958年对超声速客机的技术理论展开预研，当时NASA比较倾向于变后掠翼布局，其结论是这种飞机从技术上讲是完全可行的。1961年1月9日，美国联邦航空管理局（FAA)联合五角大楼和NASA出具报告，正式要求美国政府支持国内航空企业研制速度达3马赫的超声速军民用运输机。 美利坚的超声速客机必须比“协和”高一点 1962年11月，从大西洋彼岸传来消息，英法两国将正在研制的超声速客机命名为“协和”，这表明欧洲国家对这个耗资巨大的项目已经下了最后的决心；同一年，苏联开始研制图-144超声速客机的消息也传到了美国。这一切让整个世界都坚定地认为未来商业飞机的前途属于超声速，而且欧洲人和俄国人已经走在了前面。 美国的自尊心受到了伤害，它决定反击。 1963年6月5日，肯尼迪总统下令启动国家超声速运输机（包括客机与军民用运输机）项目。这是一个政府项目，美国政府将为研制计划出资75%来对抗欧洲老帝国的“协和”，此类情况在美国历史上是罕见的。单纯从经济角度看，美国航空企业无论如何也不愿意冒这个风险，况且在亚声速喷气客机市场，美国几乎完全处于垄断地位。时任FAA局长哈勒比认为“协和”的研制进展已经大大领先于美国，为此哈勒比要求美国的超声速客机起点要“更高一点儿”，如载客量应该达到250人，比“协和”多出一倍；最大巡航速度更是要达到2.7至3马赫的惊人水平，超出“协和”三分之一；飞机的载客航程则是7 400千米。 今天唯一的一架美国超声速客机全尺寸模型，收藏于加利福尼亚州圣卡洛斯市的希勒航空博物馆，可以清楚地看到这架波音2707-300的三角翼布局。
大型超声速飞机北美公司最有发言权
想把超声速轰炸机改成客机的企图失败了 既然政府愿意出钱，美国国内众多航空制造商的热情立刻就被调动起来了。经过初选，波音、洛克希德和北美公司的方案获得认可。这三家公司主要进行飞机气动布局和结构研制；柯蒂斯-莱特、通用电气和普拉特-惠特尼公司则为相关方案提供发动机。FAA估计到1990年时，市场对超声速运输机的需求量将达到500架。 在三家竞标公司中，现在已被很多人遗忘的北美公司其实才是最有经验的，该公司当时已经生产出2架3马赫速度的XB-70轰炸机，北美公司很自然的计划用XB-70原型机作为超声速客机研制蓝本，该方案被命名为NAC-60。其采用三角翼布局，机长59.4米，载客187人，最大速度2.65马赫，巡航高度10 668米。从这组数据可以看出，NAC-60的性能与FAA所要求的相去甚远，真可谓成也XB-70，败也XB-70。北美公司之前从没研制过大型民用客机，NAC-60脱胎于XB-70，却缺乏针对性的改进，尤其是载客量太少，因此该方案很快就在这场竞标中败下阵来。 北美公司很自然的计划用XB-70轰炸机作为超声速客机研制蓝本。
洛克希德不光会造战斗机运输机 不能变后掠翼的飞机不是好飞机 洛克希德公司同样也是一家擅长研制军机的航空工业巨头，不过与北美相比，该公司的条件要更好一些。洛克希德研制过一系列大型军用运输机，如C-141“运输星”及后来的C-5“银河”；同时在上世纪60年代还几乎与超声速客机项目同步推出了L-1011“三星”三发喷气式宽体客机，这些研制计划的技术与经验可以互补共享。早在1961年，洛克希德公司就向公众展示过一种名为L-2000的超声速客机方案，其采用三角翼布局，可载客220人，在21 350米时的最大速度达到3马赫。洛克希德乐观地估计L-2000在1970年就可以升空，而且销量会达到数百架之多。 L-2000-7的全尺寸模型于1966年制造完毕并提交FAA审查，该方案虽然比波音2707结构更简单，研制风险更小，但还是在1966年12月31日败给了竞争对手。在模型竞标阶段波音采用的是变后掠翼方案，它的起降性能远比三角翼飞机强。另外，L-2000-7采用JTF-17A发动机，该发动机的噪音也比对手的通用GE4大，这对一架民用客机来说是具有决定性意义的。不过具有讽刺意味的是，波音在赢得竞争后拿出的波音2707-300方案竟然跟落选的洛克希德方案极为相似。 洛克希德自然十分不满，但是该公司并没有到处“上访”，一些人猜测这可能跟其赢得了C-5“银河”运输机项目有关。 1961年，洛克希德公司向公众展示过一种名为L-2000的超声速客机方案，其采用三角翼布局。 波音最终干掉了两个对手 美国惟一正式立项的就是波音方案 研在竞争对手相继倒下后，波音最终成为了唯一的美国超声速客机研制企业，然而最后也只是留下了几个木质模型而已。跟以往不同，失去合同的公司并没有一蹶不振，北美在整个上世纪60年代将主要精力放在了航天领域，为“阿波罗”计划立下汗马功劳，即便是在1967年并入罗克韦尔后，原北美航空部门还是陆续为美国贡献了B-1战略轰炸机、航天飞机及GPS导航卫星等意义重大的战略型产品。该部门1996年被波音收购，曾经的对手如今已成了一家人。至于最后同样什么也没捞到的波音和洛克希德，这两家公司后来的命运无需赘言，洛克希德“承包”了美国仅有的两型第五代战斗机，而波音虽然经历了短暂的低潮，但至今仍是全球军民用航空工业领域的超级巨头。 即便没能修成正果，但美国超声速客机的研制仍是一次很有价值的探索，它至少让美国人比欧洲更早明白了这种机型在当时，及至很长一段时间内都无法做到性价比平衡。直到今天，波音2707都仍是美国唯一正式立项的超声速客机。 波音对可变后掠翼研究很深，计划将其用于超声速客机，注意其机翼角度与下图的对比。 你将乘座的超声速客机采用变后掠翼 超声速客机和轰炸机长得相似不是偶然的 早在1952年波音公司就开始用缩比模型进行超声速客机研究了。1958年，波音又成立了一个超声速运输机研究委员会，至1960年时该委员会的年预算已达到100万美元。委员会曾提出过很多超声速客机方案，所有方案有一个统一的名称“型号733”。其中大部分设计都采用三角翼——这很容易理解，三角翼超声速阻力最小。不过委员会在1959年首次出现了一个采用变后掠翼的新方案，其灵感来源于波音公司的TFX项目（波音用来与通用动力竞标美国空军下一代战斗轰炸机的方案，后来通用动力同样采用变后掠翼的F-111获胜）。从理论上讲，变后掠翼布局可以同时满足飞机的高速和低速性能需求，当时NASA也看好变后掠翼，直到1963年6月美国正式决定研制超声速客机时，波音公司一直都在完善自己的变后掠翼方案。 1964年1月15日，各个航空企业将初步设计方案递交给FAA，波音的方案就叫“型号733”，模型编号“733-197”。然而，后来外界所熟知的项目名称却是“波音2707”。有人猜测这可能意味着其是在波音707基础上改进的2马赫飞机，后来的事实证明这种猜测很不靠谱。波音2707的外形跟B-1“枪骑兵”战略轰炸机惊人地相似，只是发动机吊舱有所不同——前者的发动机为独立的4个吊舱，而后者的吊舱为2个一组，共2个吊舱。采用变后掠翼可以有效解决起降品质和速度与航程的矛盾关系，对于民用运输机来说，起降平稳、舒服、噪音低的重要性不言而喻。更重要的是，理论上变后掠翼的经济性要比三角翼好。 从理论上讲，变后掠翼布局可以同时满足飞机的高速和低速性能需求，当时NASA也看好变后掠翼。图为波音型号733方案。 美国超声速客机也是“面子工程” 波音方案能赢是因为不用考虑经济性 在最初的筛选中，北美公司的NAC-60方案首先被淘汰。FAA进一步要求剩下的两家公司制作模型来验证是否能达到技术标准，并特别强调使用现有的发动机。1964年11月，FAA又进行了一次项目方案审查，这时波音已经将原来的方案放大 到载客250人，这个型号名称为“型号733-290”。在准备参加1966年的最后竞标前。波音再次改动方案，将250座升级成300座，项目名称也改为“型号733-390”。跟“型号733-290”相比，此方案的发动机移到了放大尺寸的水平尾翼下方，当机翼全后掠时，机翼与水平尾翼自然形成大三角翼构型，这种设计的好处一是在高速飞行时机尾发动机的重量形成自然的配平力矩，减少了配平阻力。二是发动机远离客舱，噪音水平较低；三是当某一台发动机出现故障时，飞机的偏航力矩相对较小。 “型号733-390”是一种大型飞机，长约90米，最大载客量高达350人。在载客313人的情况下，以2.7马赫速度巡航时的航程为7 440千米。与洛克希德L-2000相比，波音2707的飞行性能和噪音水平都略好一些，由于美国政府将该项目作为一个“面子工程”来推动，与苏联的图-144类似，研制和运营成本至少在当时是不在优先考虑之列的，性能指标更高的波音2707顺利的在1966年赢得美国第一代超声速客机竞标。 波音型号733方案，当机翼全后掠时，机翼与水平尾翼自然形成大三角翼构型，非常适合超声速飞行。 波音方案尽显霸气造的是宽体机 地道的超声速豪华宾馆 “型号733-390”获胜后，对外公布的名称是波音2707-100。这的确是一款好飞机，标准型客机的设计载客量为277人，经济舱247座，头等舱30座，这在当时已经是一个相当大的数字了。波音2707-100还是最早采用宽体设计的客机之一，飞机内部为2-3-2座位布局，对于机身细长的超声速客机来说，波音2707的机身宽度甚至比当时运营的亚声速喷气客机还要大，同时双过道座椅布置方式也是第一次出现。 客舱分为两部分，两舱之间为盥洗室和存储室。座位的上方有小型行李架，比较特别的是中间座位上方也有行李架。稍大的行李则存放在两个座舱之间的存储室。最令人惊异的是机上的娱乐39系统，经济舱顶部每6排有一个可伸缩电视，而头等舱每2个座位中间就有一个可伸缩电视，这在当时绝对属奢华配置。从公布的录像看，波音2707-100的细节处理得比L-2000好得多。为了适应高空高速飞行，飞机的舷窗只有6英寸见方，但舷窗的内部窗框却足有12英寸，为的是给乘客视野宽大的错觉。 波音2707堪称地道的超声速豪华宾馆，当年就独树一帜，拥有了机载娱乐视频系统，属于绝对的奢华配置。行李架也非常宽大。 连发动机都跟轰炸机一样 不开加力就能以将近3马赫的速度巡航 波音2707-100采用的是4台通用电气GE4涡喷发动机。该发动机的加力燃烧室跟XB-70上使用的YJ93-GE-3非常相似。加力燃烧室只是在飞机起飞和跨声速阶段使用，飞机在非加力状态下即可达到2.7马赫的最大巡航速度，超声速巡航时的升阻比为8.2。GE4采用9级轴流式压气机，先进的冷却技术使得发动机可以在1 093℃下持续工作。发动机长8.3米，直径1.8米，净重4 767千克，最大巡航推力22 700千克，加力推力28 677千克，发动机推重比6.02，空气流量281千克/秒。 波音当时估计，这个项目如果继续下去，波音2707-100原型机结构制造将于1967年早些时候开始，第一次试飞可能在1970年进行，1974年就可以拿到适航证。 波音的超声速客机不止速度高于欧俄二位对手，还有一点尽显王者霸气，它是宽体双通道客机，足以秒杀窄到家的欧洲"协和"苏联图-144二位对手。 客机增加鸭翼并不是为了突出机动性 飞机精密复杂但操作简单 然而，事情的发展远不如波音预想的那么顺利。 在波音2707-100原型机的研制阶段，公司就发现这种飞机的飞行稳定性不佳。为了解决问题，必须对原方案再次修改，修改后的方案就是波音2707-200。飞机的长度再一次增加，而它最显著的特征是在机头处安装了一对鸭翼。变后掠翼结构加上鸭翼和其它控制舵面使得飞机变得更重了。据称洛克希德L-2000-7的控制舵面为16个，而波音2707-200的控制舵面多达59个，这也从侧面说明飞机的气动布局仍存在缺陷。 由于搭载了当时最先进的飞行控制系统，波音2707-200对飞行员的技能要求并不比亚声速客机高。同时代喷气客机的控制舵面均通过液压动作筒操纵，波音2707-200采用的则是机械操纵为主，电子操纵为辅的冗余设计，这样大大减轻了飞行员的工作压力，也提高了飞机的安全性。 由于搭载了当时最先进的飞行控制系统，波音2707-200对飞行员的技能要求并不比亚声速客机高。同代的苏联图-144，普通飞行员都飞不了，只能由试飞员来飞。 客机装变后掠翼绝不是好主意 抛弃可变后掠翼 波音2707-100一样，波音2707-200最大的问题还是变后掠翼。变后掠翼要获得最大的收益，转动轴必须尽可能靠近飞机轴线，减小机翼固定段的面积，这样增加活动翼面带来的好处就会最大限度体现出来。但是问题远没这么简单，减小固定翼段又干扰了起落架安置。况且转动轴太靠近机身，机翼在最大后掠角时就会切入到机身内部。另外，转动轴的重量太大，固定段无法安装油箱，活动翼的油箱也不能过大。这些缺点几乎抵消了变后掠翼所带来的优势。 1968年1月15日，FAA技术组对波音2707-200进行评审，技术组发现一系列改进导致飞机重量严重超标，飞机的航程、载重都比第三阶段合同规定的要低。在全商载情况下，波音2707-200的航程只有5 139千米，跟合同要求的7 440千米相去甚远。为此，1968年3月29日，FAA要求波音公司对方案重新修改以满足合同要求。新方案于1969年1月15日被递交给FAA，这款新的波音2707终于抛弃变后掠翼。 1968年10月，波音公司被迫放弃了变后掠翼方案，设计队伍重新回到了切尖三角翼上。 美国超声速客机差点变成现实 波音747再巨大也是个配角 1968年10月，波音公司被迫放弃了变后掠翼方案，设计队伍重新回到了切尖三角翼上。该方案比波音2707-200略小，最大载客量只有296人，这就是至今为止美国最后一款立项的超声速客机——波音2707-300。1969年9月波音公司获准 生产一个全尺寸模型和2架原型机，这个时间已经比原计划落后了2年。 波音2707-300采用4台通用电气JP4涡扇发动机，发动机安装在机翼下方。飞机长96米，翼展38米，起飞重量达290 560千克。与之前的变后掠翼方案相比，波音2707-300的长度减少了3.81米。机身缩短后飞机的垂直尾翼尺寸相应减小，起降架长度缩短。这番改进后飞机空重减轻了2 724千克，航程增加了417千米。但是飞机的控制系统研制费用却在上升，据估计波音2707-300的飞控及航电系统研制费用是波音747的2倍。 波音对这架三角翼超声速客机显然寄予厚望，当时一部由波音资助的促销影片声称，超声速客机前景光明，政府的投资很快就会有回报，而且超声速客机将主宰未来天空，巨型的亚声速波音747只是一种过渡产品，超声速客机将很快取代它们。 波音的“胖头鱼”巨无霸747当年只不过是超声速客机的配角，是设想中的短命过渡产物，没人想到它会成功上位，干掉超声速客机，独领风骚数十年。 总统也救不了超声速客机 超声速客机成波音恶梦 1971年3月，尽管当时的美国总统尼克松强烈支持超声速客机，但参议院还是否决了政府追加投资的提案。随后，航空爱好者支持的信件和价值100万美元的捐助滚滚而来。然而一切都已无济于事，1971年5月20日，美国政府最终取消了超声速客机项目。 此时已经有25家航空公司预订了115架波音2707，同时另有16家航空公司预订了74架“协和”。项目被取消时2架原型机尚未完工。超声速客机后来被人们称为“几乎吃掉西雅图的飞机”，波音公司为此丢掉了好几个政府合同，由于国内市场占有率下降，波音不得不裁掉60 000余名员工，那段艰难岁月堪称其历史上最黑暗的一页。 波音超声速客机体型巨大，需要三个登机桥才能喂饱。旁边是架747巨无霸客机。 10亿美元证明“面子工程”不会有好下场 美国超声速客机比欧俄先进 美国超声速客机项目历经10年，花费了10亿美元，最终不得不下马，其原因无外乎“协和”后来用实践一再证明的政治、经济和环境因素。对于美国来说，当初政府愿意投钱的最重要原因是宣示美国航空工业的霸主地位，这就注定了该项目从一开始就被定位为“面子工程”。由于政府投资占到了整个项目预算的75%，政策波动的风险必然会对研制进展构成严重的负面影响。 不过美国超声速客机下马归根到底还是要归结于钱。这种飞机要达到FAA要求的3马赫速度，必须采用不锈钢或者钛合金制造，但对于客机来讲不锈钢又肯定不行，用这种材料造出来的飞机也许只能载10余人。因此钛合金就成了唯一的选择，钛本身是一种极其昂贵的金属，加工工艺又很复杂，这进一步增加了机体制造成本。必须指出的是，超声速客机的耗油率远高于亚声速客机，技术复杂的超声速客机每年还需要数倍于亚声速客机的维护保养费用。然而，高昂价格换来的却只是时间上无足轻重的节约，据后来计算得出的结论：美国超声速客机飞越大西洋所需时间仅仅比“协和”缩短20分钟。 波音的超声速客机方案远较欧俄先进，但本质上也是个“面子工程”，完全无视民机的本质——经济性。 下马原因之一是不环保 当时产生了民众能容忍噪声的错觉 西方在上世纪60、70年代兴起的环保浪潮也是导致美国超声速客机下马的重要原因。一是对臭氧层的破坏，臭氧层位于25千米左右的高度，超声速客机的飞行高度正好是16至25千米之间，发动机在高空会排放大量的氮氧化物，这些废气对臭氧具有极强的破坏催化作用，一架“协和”每年的氮氧化排放量可达1 000吨。据1971年测算，500架超声速客机两年内排出的氮氧化物累计量足以使臭氧减少3%至5%。 超声速客机制造的巨大噪音更是公众所无法忍受的。其有三个来源，一是飞机与空气的摩擦噪声，二是发动机噪声。音爆则是最难解决的问题，飞机越大，速度越快，音爆越强烈。在美国的几家航空制造企业还在图板上设计超声速客机时，FAA就和美国空军在俄克拉荷马市进行了两阶段为期6个月的音爆试验，为的是让居民逐渐习惯这种毁灭式的超强噪音。 1964年，美国空军每天定时派出超声速战斗机飞越俄克拉荷马上空，每天产生8次音爆，音爆强度远远不到震碎玻璃的程度。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。第一段为期三个月的音爆试验结果是：4 900人向美国空军提出索赔，其中一人获得了10 000美元赔偿，90%居民称可以接受音爆。 超声速客机引起环保主义者不满的理由之一在于其飞行高度对臭氧层的破坏。当然，与其体型和速度相当的军用轰炸机抗议声就很小。图为XB-70超声速轰炸机。 美国从未放弃超声速客机研究 噪声之大尤如核弹爆炸 第二阶段试验进一步加大了音爆力度，也就是派出大型超声速飞机来制造更强的音爆。空军这次派出的是XB-70和B-58轰炸机，其中XB-70的速度和尺寸都跟超声速客机类似。XB-70已经在洛杉矶和纽约上空做过历时2小时的音爆试验，强烈的音爆将玻璃震碎，巨大的响声引起了恐慌，有人甚至以为苏联向美国发射了核导弹。 在俄克拉荷马城进行的第二阶段音爆试验果然造成了很大破坏，也引起了居民强烈愤怒。然而对于居民这次的投诉和索赔，FAA和空军却不理不睬。很快此事发展成了政治事件，抗议、投诉、索赔像雪片一样飞进各级政府机构。 第二阶段音爆试验结束后，居民对音爆的接受程度大大降低，也促使美国公众开始反对超声速客机在城市上空飞行。后来很多国家禁止“协和”降落就跟此次试验有关。可想而知，比“协和”更大，速度更快，音爆更强烈的波音2707即便投入运营，也会跟“协和”一样被很多国家禁止起降，这反过来又会严重影响其市场效益。 超声速客机产生的音爆问题非常棘手，只要音爆问题不解决，它就难以投入实用。图为XB-70超声速轰炸机，多次扮演超声速客机，试验音爆。 结语 波音2707项目的结束并不意味着美国彻底放弃超声速客机。在上世纪90年代，NASA又主导了HSCT等超声速运输机方案的技术概念研究，这些研究虽然并未作为正式的可运营机型立项，但在其中所包含的对高速航空运输理念和科技的前瞻性探索，也许会在未来的某一天，让人们重新切身感受到超声速旅行的魅力。 《航空知识》独家供稿