主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫

超音速客机的难点仍然在于发动机。涡喷发动机是喷气发动机中最早、最基本的，简单、轻巧，迎风面积小，高速性能好，适宜于高空高速飞行。但是低空低速飞行时，涡喷发动机的喷气速度太高，推进效率低，油耗和噪音大。涡桨发动机的低空、低速推进效率高，但是迎风阻力大，用于超音速飞行是没戏了。涡扇发动机是涡桨和涡喷之间的折中，部分空气通过核心发动机和燃油混合燃烧，膨胀做功，另一部分空气从核心发动机外流过，一方面冷却核心发动机，更重要的是，和核心发动机的炽热喷气混合，降低喷气温度和速度，通过引射增加总的喷气量，以提高推力。空气沿核心发动机外的流路称为外涵道，核心发动机内的流路当然就是内涵道。内外涵道的空气流量之比称流量比或旁通比（bypass raio），也称涵道比。涡扇发动机最适宜于高亚音速飞行，低流量比的涡扇可以用作超音速飞行，流量比从0增加到0.7，可以减低单位油耗（specific fuel consumption，sfc）1%，但是同样推力的空气流量需要增加50%，这就需要增加进气道的截面积和系统重量。涡扇本身就比涡喷要复杂，重量要大。STAC早年就计算过，算入典型的起飞、着陆和空中待命的时间，在航程5000公里、M2巡航时，涡喷和涡扇的最终油耗相当。最理想的情况是研制变循环发动机，在低速时，特性接近涡扇；在超音速时特性接近涡喷。但是变循环发动机说起来容易，做起来很难。涡扇发动机的奥妙之处就在于核心发动机前的那个大大的风扇，在涡喷模式时，如何把这个风扇藏起来是很大的一个难题。在发动机这样严酷的工作环境下，机械折叠叶片什么的太不现实，怎么使气流绕过风扇直接进入核心发动机呢？中置串联风扇（mid tandem fan）是欧洲比较看好的思路。

NASA兰利研究中心的风洞在测试先进超音速客机所需要的Pratt Whitney发动机

中置串联风扇一反涡扇发动机将风扇设置在低压压气机之前的惯例，而是将风扇安装在高低压压气机之间，风扇叶片的纤细的“柄”对低压压气机的气流影响很小，低压压气机的气流大部分流过风扇叶片的“柄”流入高压压气机，少部分进入高压压气机机匣和发动机外壳之间的外涵道。真正的风扇叶片在外涵道。低速飞行时，外涵道的前后活门打开，风扇压缩的空气和低压压气机泄流出来的空气作为外涵道气流，和内涵道的炽热喷气混合，就像一般涡扇一样。高速飞行时，外涵道前活门关闭，后活门大体关闭，只有低压压气机泄流到外涵道的少量空气在外涵道流动，没有多少涡扇的效果，主要起到冷却核心发动机的作用，即所谓“漏气”的涡喷（leaky turbojet），像F-18战斗机的F404发动机一样。内外涵道的空气流量比例可以无级调解，以在各种工作条件达到最优状态。

图示的概念发动机用低压压气机兼作风扇，但基本思路和中置串联风扇是相似的

通用电气的F120发动机采用类似的设计，用双旁通回路，但风扇还是前置。在涡喷状态关闭第一旁通，风扇作为额外的低压压气机。这个方案更接近常规的涡扇，但风扇的效率受到损失。美国空军在ATF竟标（最后导致F-22战斗机）时，同时竟标发动机，最后普拉特•惠特尼的F119发动机入选。其实F119在技术上没有F120先进，除了和F120一样采用同轴反转涡轮和高低压压气机之间无导流片外，基本概念上还是没有跳出第流量比涡扇的思路。但是F119风险小，可靠性好，重量轻，美国空军最后还是用它作为F-22战斗机的动力。如此看来，变循环发动机用在民用超音速客机上恐怕也要有些日子了。

通用电气的F120发动机和图示的双旁通变循环方案接近，第一旁通作涡扇用，第二旁通作“漏气涡喷”用

先进超音速客机发动机的另一个方案要简单很多：在普通的涡喷发动机后，加一截空心筒子，起飞、着陆时，涡喷发动机的排气通过空心筒子再排出去，而空心筒子有很多开口，用于引射周围的冷空气，降低排气温度和速度，减小噪声。高空高速飞行时，空心筒子打开，涡喷发动机的排气“自由”地排入空中，正常工作。这个方案基本上就是老式喷气发动机加装降噪套件的路子，只降低噪声，对减小油耗没有作用。除了波音的HSCT用变循环发动机，麦克唐纳和洛克希德等HSCT方案用的就是这个所谓混合气流涡扇发动机方案。

混合气流涡扇发动机概念图

第二代超音速客机以“高速民航运输机”（High Speed Civil Transport，HSCT）为旗号，重点在于经济性，要求借鉴已经在高亚音速宽体客机上大见成效的先进涡扇发动机技术，在低速时也有不亚于亚音速客机的经济性，同时大大增加载客量，改善航空公司的人-公里成本。

美国的几个HSCT方案都大同小异，但尺寸比第一代要大得多，动辄载客300人以上。波音把波音2707-300从架子上拿下来。掸掉灰尘，“老太婆抹粉”，以旧充新。麦道的方案和波音的差不多，NASA和以制造海军战斗机著称但从未涉足民航客机领域的沃特（Vought）合作，也拿出一个大同小异的方案。只有洛克希德的方案有点新意。洛克希德方案也是有尾三角翼布局，但是三角翼延伸出去，成为箭形翼。最特别的地方是发动机，四台发动机两两成对，一个在翼下的常规位置，另一个却在翼上。机翼上表面的气流速度较快，流场分布也较复杂，所以很少有把发动机布置在机翼上面的。仅有的特例是利用上表面吹气增升效应（也称Coanda效应）的安-72和波音YC-14，利用发动机喷气流在机翼上表面吹过，引射更多的气流，达到增升的效果。此外还有道尼尔VFW614和本田喷气机采用翼上发动机，但那是为了降低机翼离地高度，缩短起落架长度，在气动设计上并没有太大的优越性。洛克希德的这个方案明显不是利用Coanda效应，也没有缩短起落架的意思，其用意不是太清楚，但是外形特征明显，看起来很酷。协和式和图-144的机头锥可以下垂，这是为了解决起飞、着陆时飞行员的视野问题，但带来了不小的重量代价和机械上的可靠性问题。HSCT方案基本都采用闭路电视来帮助解决飞行员视野的问题，而采用固定的机头锥以节约重量。

波音HSCT正在朝阳中起飞

波音HSCT想象图，采用4台变循环发动机

麦道的HSCT方案三视图，机翼略宽一点，具有前缘襟翼，以改善低速时的操控性能

飞向夕阳的麦道HSCT和麦道本身，麦道在MD-11销售呆滞、A-12下马和ATF和JSF落选，再也没有喘过气来，最后降下了帷幕

NASA-沃特HSCT方案，介于波音2707-300和洛克希德SCV之间，同样具有前缘襟翼

洛克希德HSCT，注意其独特的发动机安装方式

本田的喷气公务机Hondajet，发动机安装在机翼上方

可以看到，本田喷气机的起落架很短

战前曾制造当时世界最大的水上客机Do228的道尼尔，战后只有小打小闹的本钱了，VFW-614是道尼尔制造的最大的飞机了，这是仅有的几种喷气发动机安装在机翼上方的一种

道尼尔的VFW-614短程喷气客机，同样具有很短的起落架

英法也合作研制协和式的后继，在气动外形上继承协和式的基本布局，但是增加了鸭式前翼，以改善低速时的操控性能。“协和之子”有两种大小，一个载客250人，采用类似协和式的S形前缘大三角翼；另一个则载客400人，大三角翼更呈箭形，也就是说，后缘带一点后掠。苏联只提出了图-244的方案，但没有花太大的力气。

1991年巴黎航展英法合作的“下一代协和式”模型

英法合作的“下一代协和式”，这是小号的

“下一代协和式”的三视图

图-244的想像图，设想载客300人，航程达10000公里

图-244三视图

第二代超音速客机的气动设计没有革命性的突破，只是在第一代基础上作一些精细的修改。然而，最主要的发动机技术依然没有取得突出性进展。民用的大流量比涡扇发动机在亚音速客机上取得巨大的成效，极大地降低了油耗和噪声。但大流量比涡扇发动机的迎风面积太大，其高效率和低噪声是靠降低排气速度、增大排气流量来实现的，这和超音速巡航的要求相冲突，超音速客机难以利用。军用的高推重比低流量比涡扇发动机取得了重大进展，在战斗机的很大一段性能包线内，大大提高了推力，降低了油耗。但是那是针对中空中速格斗机动而优化的设计，超音速能力是偶尔为之，并不是打算用来作持续的超音速巡航的，对于超音速客机来说，收效依然有限。对超音速客机的经济性的大问号继续存在，出于音爆的原因，大陆航线禁止超音速飞行，这进一步加深了经济性问题，第二代超音速客机的研制无疾而终了。

然而，人类的超音速之梦并没有就此挥之而去。超音速客机在人们意想不到的方向异军突起，以前不为人们注意的领域差点接过了超音速客机的接力棒。如前所述，音爆的强度不光和飞机的速度有关，也和飞机的大小有关。尺度较小的超音速飞机的音爆比大型超音速飞机小很多。90年代初，世界上公务飞行掀起了一个小高潮，以制造高机动性超音速战斗机著称的苏霍伊和格鲁曼合作，首先提出超音速公务机（supersonic business jet，SSBJ）的概念，以后达索和其他公司也跟进，其中Aerion的超音速公务机的速度达M1.6，航程7200公里。但是公务机的事情像时装一样，此一时彼一时，超音速公务机最后还是没有成大事。一波未平，一波又起，波音在图谋对抗空客的巨无霸A380客机时，想剑走偏锋，推出“音速巡航者”（Sonic Cruiser），航程16000公里，以0.95马赫的速度飞行，在不引起音爆的前提下，最大限度地提高巡航速度，而油耗只比同级高亚音速客机告15-20%。波音的如意算盘是长途高速的点到点航线，但波音的侧手剑在现实面前一折两段，航空公司和旅客对“音速巡航者”的概念不感兴趣，为不到10%的速度提高而巨资更新机队和增加油耗不值。波音只好悄悄地中止了这个计划，代之以循规蹈矩的波音787。日本从90年代开始研制称为NEXST的超音速客机，并在2002年7月在澳大利亚的沙漠中，成功地进行了小比例模型试验。计划载客量300人，航程12000公里，要求在2015年将新型超音速客机投入运行，但要是按照现在这个进度，恐怕不大可能。

波音“音速巡航者”（Sonic Cruiser）的想象图

波音想得很美，但是脱离实际，所以只有想象图可看了

苏霍伊和湾流（Gulfstream）合作的S-21超音速公务机方案

S-21后来由双发改为三发，气动布局也有所改变

达索的超音速公务机模型，仍然采用达索独特的三发布局

Aerion的超音速公务机（SBJ）想象图，像一架放大的F-104

Aerion SBJ的机内

日本的NEXST先进超音速客机和火箭助推器

NASA的先进超音速客机模型

协和式客机正在准备进入航班服务的时候，一头撞上了公众的反对，73年的石油危机成为压断骆驼脊背的最后一坨巨石，各国航空公司本来争先恐后下的订单，一夜之间全挥发了。14架生产型协和式中，只有9架是“按标价”由政府补贴出售给英国和法国的国营航空公司的，剩下的5架全是以1英镑或1法郎的象征性价格无偿转让的。英法从来没有公布过协和式计划的总投资，后人估计达76年币值11亿英镑，或者2000年币值110亿美元。在惨淡经营近30年后，协和式遇上911和Gonesse的空难，最后于2003年9月退出航班服务，所有剩下的飞机都散失到各地的博物馆去了。有趣的是，老对头波音在西雅图的飞行博物馆里收藏了一架，当年差点要了协和式的命的纽约，也在无敌号航母博物馆里收藏了一架。

Gonesse的空难对协和式是灾难性的

向老兵最后的敬礼

在德国Sinsheim的科技博物馆里，协和式和图-144终于和平共处。Sinsheim是一个好博物馆，在斯图加特和曼海姆中间，收藏有飞机，有汽车，一定要去

纽约的协和式停放在驳船上

苏联的图-144尽管抢先首飞，但是问题多多，反而在协和式之后投入载客航班运行。先于75年12月26日在莫斯科到哈萨克首府阿拉木图之间开通一条航线，只运邮件和货物，不载客。看来苏联对图-144也没有信心。77年12月开始，莫斯科-阿拉木图航向开始载客。但是燃油系统的一个设计问题导致78年5月23日一架图-144在空中大量泄漏燃油，导致一台发动机起火，飞行员成功地把飞机降落了下来，但是两名机组人员不幸丧生。此后在地面试车中，又一台发动机爆炸。一个月后，图-144载短短6个月载客飞行后，就停止了载客航班飞行。此后图-144断断续续地复飞过，航迹远达远东的哈巴罗夫斯克，但都是包机、专机飞行，再也没有飞过正常航班。图-144生产型的总产量也只有14架，成为盲目的“为国争光”的牺牲品，极大地浪费了珍贵的国家资源。在此之前，图-144还出过一次采。在73年巴黎航展时，看到同台演出的协和式在航展的低空低速范围内有很出色的表现，图-144为了在西方面前露一手，接连做了几个高惊险动作。但是在表演完毕着陆时，下错了跑道，飞行员在恼怒中猛然拉起，作了一个陡直的爬升，在改出的时候，动作过猛，导致发动机全部熄火。这是发动机紧密布置在一起特有的问题，称为sympathetic flame out是由于进气道在气动上紧密交联而引起的。飞行员可能为了利用气流重新启动发动机，将飞机带入俯冲，但高度不够，发动机还没有启动，已经快要触地了。在企图拉起时，超过机体结构强度，当场空中解体坠毁，造成一时轰动。不过这是西方官方的说法，民间有别的说法，其中一个说法是法国空军的一架幻影战斗机紧追不舍，要近距离看个究竟，图-144为了避让，做出过火机动，导致事故。不过航展所在的布尔歇机场周围的可见度很好，图-144的整个航线都在航展观众视界之内，至今为止，没有看到照片证明当时有幻影在场。另一个说法是黑匣子当时就找到了，原因也很清楚，苏联为了做惊险动作，在表演前临时对飞行控制系统作了小修改，放宽极限，但改出了问题，苏联只好打碎牙齿往肚里吞。这个说法的可能性比较大。事实如何，还有待知情人讲那“不得不说的故事”了。

73年巴黎航展时图-144失事，从左到右：猛然拉起，急剧俯冲，空中解体，坠毁

尽管图-144在78年久停止了航班飞行，但是图波列夫工厂还是不可思议地继续制造图-144，最后一架在84年出厂，苏联用这架飞机进行了一些高空臭氧破坏研究，封存之前只有83小时的飞行时间。96-97年间，NASA和俄罗斯合作，将这架图-144进行了大量的改装，使之恢复飞行状态，用来做超音速飞行的研究。不过图-144只有打开加力才能达到2马赫，否则只能以1.6马赫巡航。协和式也需要在起飞和加速时打开加力，但是达到2.2马赫的巡航速度后，只需要非加力推力就可以维持速度。由于种种技术原因，96-97年图波列夫和NASA合作期间，速度限制在音速以下，所以到底对NASA的超音速研究起到多少作用，也只有天知道。由于这架图-144换装了图-160轰炸机的新型NK321发动机，俄罗斯军方不准出境，所有飞行全部在俄罗斯空域进行。这个计划在99年中止。不过这都是后话了。

图-144的问题波音不以为然，但协和式的问题波音不得不在乎。波音一方面胆战心惊地看着协和式像怒海中的扁舟一样被公众舆论的口水所淹没，另一方面被波音2707-300的种种技术难题搞得焦头烂额。机体所需的新型钛合金还在研制中，预算严重超支，工期严重拖延，前景一片阴暗。在这当口，美国国会帮波音了断了这桩烦心事：在花了当时币值10亿美元之后，于71年中止对美国超音速客机计划的一切拨款。波音受此冲击，差点一口气接不上来，其间的辛酸在“波音的故事”中有所叙述。FAA从此失去了主导民航飞机科研的权利，NASA接受过去，不光主持宇航科研，也开始主导民航科研。后人评论，如果美国当时选技术上稳妥一点的洛克希德L-2000方案上，或许不至于拖到风水转了还在十月怀胎。不过这个事情难说，没准坚持到投产了，最后成为更大的鸡肋，损失更大。超音速客机下马，西雅图也不全是损失。67年美国NBA要在西雅图拉一个球队，公开征求名字，当时美国除了阿波罗外，形象工程就数波音的超音速客机了，于是西雅图的NBA球队 就成了“超音速队”（The Supersonics）。时间久了，超音速客机也下马了，超音速队就被简化为音速队（The Sonics）了。

协和式客机载公众反对的惊涛骇浪中，终于战战兢兢地投入航班服务。但是协和式的首选目的地纽约在公众舆论的反对下，决定禁止协和式在纽约起陆。还好上帝关闭一扇门，总是打开一扇窗。华盛顿机场决定容许协和式起落，尽管协和式在进入美国大陆上空后必须减速至亚音速以避免音爆的问题。协和式的主要航线在大西洋上空，音爆不是问题。高空超音速飞行对臭氧层的影响被证明是夸大其词，飞机起落时的发动机黑烟问题也逐渐得到缓解。势利的纽约人不堪忍受华盛顿有协和式的航班而纽约没有，也容许协和式在纽约起降了。廉价航空的先驱Braniff和英航达成协议，将华盛顿的航线延伸到休斯敦，当然整个大陆航段都是亚音速的。新加坡航空公司也和英航协商，开辟伦敦到新加坡的超音速航线的事宜。美国又坐不住了，开始在80年代研制第二代超音速客机，英法也跟进，研制协和式的后继。苏联正好陷在阿富汗的泥潭里，但是没有放弃，也提出了纸面上的方案。

曾经订购协和式的几个航空公司的想象涂装

新加坡航空公司曾租用一架英航的协和式试航新加坡航线，左面是新航图装，右面是英航涂装

• 你是指巴黎航展那次坠机事故？