超音速客機研製歷程：美國競爭中輸給歐洲

2016年03月25日 07:47    晨風

　　

　　1962年11月，英國和法國政府共同宣布達成一項聯合研製超音速客機的協議，當時這個消息曾經讓美國的飛機製造企業倍感壓力

　　新浪科技訊 北京時間3月25日消息，1962年11月，英國和法國政府共同宣布達成一項協議，當時這個消息曾經讓美國的飛機製造企業倍感壓力。

　　英法兩國宣布，他們將聯合研發一款能夠以超過兩倍音速飛行的新型民航客機。這款新型飛機被命名為「協和」(Concorde)，它將成為有史以來最先進的民航客機，向世界展示歐洲航空工業設計與製造最尖端水平民航客機的水平。

　　

　　洛克希德馬丁公司的L-2000方案是當時勝出的兩型超音速客機設計方案之一

　　美國直面歐洲挑戰

　　美國不甘落後。時任美國總統肯尼迪決定直面來自歐洲的挑戰，歐洲人的協和客機將面臨美國的競爭。美國決心建造自己的新型客機，它的飛行速度將比射出的來複槍子彈還要快。

　　這項由國家發起的重大工程最終選定了兩款設計原型為基礎進行進一步研發，其中一款設計方案來自航空業巨頭波音公司，另外一款設計方案則來自另一家頂級航空企業——洛克希德馬丁公司。然而這項宏大的計劃最終卻陷入了政治漩渦。受環境保護主義者們的強烈反對以及不斷高企的成本諸多因素的夾擊，美國版的「協和」客機從未能夠展翅起飛。

　　然而，在時隔50多年後的今天，美國卻計劃重新將超音速客機的研製提上議事日程。近日，洛克希德馬丁公司宣布了一項與美國宇航局之間的合作項目，計劃研製一款安靜型的超音速客機，並計劃在未來用作民航用途。那麼，在這樣的一個時刻，從當年美國研製該國版本的「協和」客機失敗事件中，我們能夠汲取哪些教訓？

　　在1960年代，波音和洛克希德馬丁公司是世界上兩家最有經驗的飛機製造商。波音公司生產的高可靠性民航客機產品革新了人們的出行方式，而洛克希德馬丁公司則設計製造了世界上第一款飛行速度超過兩倍音速的飛機：F-104「星」(Starfighter)式戰鬥機。

　　甚至在歐洲人宣布他們的協和客機計劃之前，美國的飛機公司便已經在嚴肅考慮研製超音速噴氣式客機的可行性，也就是他們所謂的「超音速運輸器」(SST)。1961年，另外一家美國飛機製造商道格拉斯公司研製了一款概念機型，其飛行速度可以達到3倍音速(3馬赫)。道格拉斯公司不但堅信這款飛機將能夠在1970年達到實用程度，並且還相信這款飛機一旦投入市場將能夠贏得數百架的訂單。

　　

　　在整個1960年代，超音速客機的「2707」方案一直都是波音公司內部的頭號項目

　　冷戰的壓力

　　但事情還遠沒有結束。事實證明，歐洲人搞出來的協和客機並非是引起美國人關注的唯一事件。在冷戰「鐵幕」的背後，蘇聯著名的圖波列夫設計局同樣正致力於超音速飛機的研發，他們的產品被稱作「圖-144」。在超音速客機領域被英法兩國擊敗是一回事，但要是被蘇聯人甩在後面，那情況可就完全不同了！於是突然之間，對於當時的美國來說，研製超音速客機一下子變成了一項幾乎和登月競賽同樣緊迫的任務。設在弗吉尼亞州的美國宇航局蘭利研究中心超音速項目主管皮特·科恩(Peter Coen)說：「當你回顧那段時期，在航空領域的確是取得了很多重要的突破。」他說：「不管它背後是什麼原因，是為了贏取市場，或是急需某種機型，再或者僅僅就是為了打敗俄羅斯人和歐洲人，但航空技術領域的巨大進步是真實的。」

　　當時肯尼迪總統給洛克希德馬丁以及波音公司拋出的胡蘿蔔是：任何一家公司，只要能夠設計生產出一款性能上能夠擊敗歐洲協和客機的民用客機產品，那麼美國政府將承擔其研發費用的75%。實際上，從1950年代晚期開始，這兩家公司都已經各自開始進行了超音速客機概念方案設計工作。這類設計中大部分都參照了歐洲和蘇聯的設計理念，採用了三角翼方案。

　　隨著飛機逐漸從螺旋槳時代過渡到噴氣推進時代，傳統的直翼方案越來越難以適應新的情況。向兩側伸展開的長長機翼產生的阻力太大，一旦安裝了強大的發動機，在高速飛行的情況下機翼很容易發生折斷。而三角形機翼則能夠提供更好的穩定性，也能夠應對在極高速度飛行狀態下的應力條件——法國的「幻影III」和蘇聯的「米格-21」戰鬥機都已經證明了，採用此類機翼設計的航空器能夠輕鬆突破兩倍音速甚至更高速度。

　　於是洛克希德馬丁公司選定三角翼方案作為其新飛機設計藍本。根據設計，這款飛機飛行高度將能夠運載270名乘客，並以每小時3200公里的速度飛行。相比之下，波音公司的設計方案採用可變機翼，也就是所謂的「可變后掠翼」方案，這款飛機的飛行速度能夠達到2.7馬赫，約合每小時2800公里，運載能力同樣是270名乘客，最大航程則達到大約6700公里。

　　這種可變機翼方案具有多方面的優勢：在低速飛行階段它可以處於展開狀態，從而更好應對起飛與降落時的飛行姿態；當飛機逐漸提速時，機翼收起，形成緊湊的三角翼氣動布局。——這一新穎設計肯定讓美國政府感到眼前一亮，印象深刻，因為在經過一系列的測試之後，美國政府在1967年1月1日決定選中波音公司的方案，代號「2707」。

　　

　　波音公司西雅圖工廠內正在組裝的三角翼型「2707」全尺寸模型機

　　命運多舛的波音「2707」方案

　　吉特·米切爾(Kit Mitchell)在上世紀60年代擔任英國皇家航空研究所(RAE)的首席科學主管，參與了協和客機的研製過程。他指出，當年波音的2707工程最大的問題就是它想要實現的目標太多了，而要想達成這些目標所需的相關技術在當時還都處於不成熟的初期階段。米切爾指出，2707工程想要在飛行速度上大幅度超過協和客機非常不現實。他說：「當我們在設計製造協和客機的時候，我們已經將技術做到了當時條件下的極限，而美國人所想要追求的東西則太過艱難了。」

　　米切爾表示2707項目所追求的超高速性能對這款飛機的每一個部件都提出了巨大的挑戰。在這樣的極端飛行速度條件下，飛機機身將承受極端過熱的考驗——事實上，協和客機在飛行過程中，其機身的多處部位溫度會超過水的沸點，而當協和客機以2馬赫速度巡航時，其機頭位置的表面溫度將達到127攝氏度。米切爾指出：「任何東西，從密封劑到電纜再到窗戶，你能想到的任何部件都將需要經過專門設計以應對這樣的飛行條件，這其中存在著太多的未知。」

　　但是外界或許很難去批評為何波音公司沒能向該項目的研發投入足夠的資源以確保項目推進，因為波音的確可以說已經盡了最大的努力。正如波音公司的歷史學家邁克·倫巴第(Mike Lombardi)所言：「考慮一下當時的情況你就知道這件事是多麼的雄心勃勃。在波音公司開展超音速客機研製的同時，這家公司同時還在進行後來成為波音747大型運輸機的機型研製，而波音737大型客機也才剛剛投入運營不久。另外要記住當時美蘇之間正在進行登月競賽，而波音也是這一項目的深度參與者，再者，波音當時手頭還有一些軍方的其他訂單需要完成。」

　　他說：「也就是說我們要參與登月競賽，還要建造波音747飛機，但即便是在這樣的情況下，2707工程仍然被波音列為了公司排名第一位的重要項目。喬·薩特(Joe Sutter)當時在公司負責747飛機的研製，他就曾經抱怨自己想要一些工程師時有多麼困難，因為所有工程師都被投入到了超音速客機項目的設計工作中去了。」

　　美國的國家榮譽危如累卵，但政治意志也無法幫助波音克服在這款太過先進的機型設計過程中所遭遇到的空前困難。一些軍用飛機此前已經採用了超音速設計，但這些飛機都是小型飛機，乘員只有兩個人。要將這樣的技術進行升級，設計一款能夠搭載300人左右的大型客機，其中的技術挑戰是巨大的。倫巴第表示：「波音面臨的一項重大困難是巨大的額外質量。飛機的軸承必須建造得非常重，但這樣的重量幾乎是無法接受的。設計團隊只能回到設計板前重新來過。」

　　甚至是設計師們退而將設計改回三角翼布局時，他們仍然發現自己無法解決超重問題，這就意味著飛機將無法依靠自身攜帶的燃料完成從美國飛往歐洲的航行。米切爾表示：「實際上，協和客機的原型機以及早期型號也存在著同樣的問題。因此我們必須不斷完善相關設計，最終協和客機的生產型成為了首款能夠以超音速巡航飛越大西洋的機型。」

　　

　　洛克希德馬丁公司和美國宇航局近日達成一項協議，雙方將開展新型超音速飛行器的技術驗證工作

　　扼殺超音速客機的最後一根稻草

　　機翼還不是唯一的問題。2707型飛機在突破音障時產生的巨大音爆成為另外一大顧慮。科恩表示：「當我們意識到它產生的音爆效應將是多麼巨大時，這幾乎一夜之間終結了超音速客機在美國上空飛行的可能性。」

　　同樣的，這也是協和客機面臨的棘手問題。儘管在研發成功后，協和客機一開始接到了一些美國航空公司的訂單，其中包括泛美航空和環球航空，但隨著環境方面的顧慮逐漸顯現，航空公司開始意識到協和客機只能被允許在海洋上空飛行，從而遠離陸地上的人口稠密區，這樣就大大限制了其航行路線。這也是為何協和客機飛行的航線只局限在美國東海岸的原因。由於這些因素，來自美國方面的這些訂單最終也被取消了。

　　科恩表示：「大部分航空公司的選擇都很簡單，那就是它們採購的客機不能只能應用於少數幾條航線上。想一想——如果你採購了昂貴的超音速客機，那麼你就會希望在儘可能多的航線上採用它，只有這樣才有可能收回成本。」

　　在設計2707工程的上世紀60年代，航空燃油價格基本上還算是便宜的，但波音公司的設計方案油耗實在太過驚人，以至於其燃油方面的耗費便已經足以抵消其超音速性能所能帶來的優勢——簡單說就是能夠憑藉其更高的飛行速度，每年能夠在兩座機場間來回運輸更多數量的旅客。

　　倫巴第表示：「最終讓波音放棄2707方案，也是最終迫使歐洲協和客機運營歷史的因素還是超音速客機巨大的油耗。燃油成本開始變得難以承受。在1971年的經濟蕭條期間，油價開始飆升。但即便當年航空公司還能勉力維持，那麼到了1973年的海灣石油危機期間也就再也無法支撐了。如果在那樣的條件下還堅持繼續推進這項工程的話，那將成為一個巨大的災難。」

　　「2707」項目的遺產

　　波音之所以成為一個家喻戶曉的品牌，是因為它開發設計的那些能夠飛上天的飛機，那些能夠在節假日搭載著人們飛到世界各地旅行的飛機。儘管波音的2707工程最終還是沒能飛上藍天，但這個失敗的項目仍然留下了許多有價值的東西。

　　他說：「2707項目的開發過程對波音747飛機的開發產生了很大的影響。當時波音的想法是，世界上所有的航空公司都會想要採購超音速客機，沒有人會購買亞音速客機。因此波音當時還專門制定了計劃，在1970年代的某個時間將所有747客機改裝成貨運飛機銷售。但事情的結果卻是，波音747客機銷售取得了巨大的成功！」

　　並且，儘管2707項目開發失敗了，但在這一項目實施的過程中波音學到了很多有益經驗，這也為波音公司未來數十年間一系列試驗項目鋪平了道路，其中就包括近些年波音研發的一些不載人先進飛行器，如1990年代研製的「高速民用運輸器」(HSCT)項目等等。

　　而洛克希德馬丁公司的L-2000方案則或許將迎來重生的機會，感謝該公司與美國宇航局之間近期簽署的合作協議，雙方將共同研發一款試驗性技術驗證機原型，旨在為未來的超音速客機技術積累技術基礎。或許在未來的某一天，美國製造的超音速客機真的將會騰空而起——而且這次可沒有討人厭的歐洲人來搗亂了。(晨風)