超音速逐夢:協和飛機50周年

超音速逐夢:協和飛機50周年
2019年03月10日 11:46 界面

  來源:界面 特約記者|錢伯彥

  2019年3月2日,淅淅瀝瀝的小雨打濕了整座萊茵河谷地,一個普通的周六,陰沉的辛斯海姆(Sinsheim)科技博物館門口卻排起了長龍。

  即便不踏入博物館的大門,訪客們也能遠遠地望見博物館的鎮館之寶——那架正欲沖入云霄的協和客機(Concorde)。

  這天是這款人類歷史上,唯一投入商業運營的超音速客機首飛的50周年紀念日。

(辛根海姆科技博物館內的兩架超音速客機  圖源:flugrevue)(辛根海姆科技博物館內的兩架超音速客機  圖源:flugrevue)

  時鐘撥回到50年前。1969年3月2日,在因大霧天氣而連續推遲兩天之后,協和001號原型機終于在圖盧茲當地時間下午三點半騰空而起。數千名航空愛好者目睹了這一時刻,即使此次首飛僅僅持續了29分鐘,但也足以記入人類征服天空的史冊。

  一年之后的1970年大阪世博會,英法兩國在展會上將這款飛機介紹給了全世界,并引發了巨大的轟動。1977年,協和客機正式投入商業運營,英航和法航主要用協和客機執飛巴黎/倫敦到紐約的黃金航線。

(一架即將降落的協和。  圖源:英航)(一架即將降落的協和。  圖源:英航)

  1980年代的流行文化代表是什么?在西方除了邁克爾·杰克遜和星球大戰,一定還有俗稱“大鳥”的協和。

  雪白而纖長的機身、巨大的三角機翼、尖銳又可下垂的機頭,憑借著獨特優雅的外形,協和是希思羅和戴高樂機場的常駐明星。但這還遠不是協和的真正魅力所在,2500公里/小時(2馬赫)的飛行速度、三個半小時橫跨大西洋,加上高達七至八萬人民幣的往返票價,搭乘協和不僅是體驗當時人類科技的巔峰,更是身份地位的象征:在協和的乘客名單上可以找到從麥當娜到伊麗莎白女王在內的幾乎所有名流。

(伊麗莎白二世女王一直是協和客機的常客。 圖源:flightglobal)(伊麗莎白二世女王一直是協和客機的常客。 圖源:flightglobal)

  在浪漫之都巴黎享用法式晚餐,短暫的飛行過后,又在魅力紐約欣賞新大陸的夕陽,這真是無與倫比的體驗。

  折翼的大鳥

  但是,超音速旅行的時代卻僅僅持續了27年。

  優雅的身姿和超音速的巡航能力并不能保證盈利。事實上,協和客機的經濟收益一直差強人意。

  協和客機最致命的缺點就是驚人的油耗。為了克服進入超音速飛行之后激增的空氣阻力,羅爾斯·羅伊斯專門為協和研發了民航歷史上唯一一款帶加力燃燒室的渦噴發動機:奧林匹斯593。這款在世界能源危機之前研發的發動機在設計時并未特別注意節能和環保,其32000磅的推力也意味著一架協和客機一小時就要燒掉25600升的航油。這個數字也相當于1250升/百公里的油耗,即使均攤到每個乘客單座油耗也高達12.5升/百公里——而目前波音和空客商業客機的單座油耗僅為約3升/百公里。

(協和185噸的最大起飛重量中的120噸預留給燃料,巨大的三角翼幾乎全是油箱。   圖源:concordesst)(協和185噸的最大起飛重量中的120噸預留給燃料,巨大的三角翼幾乎全是油箱。   圖源:concordesst)

  協和客機高油耗的缺點在低油價時代,航空公司通過高票價搭配高端服務的策略完全能夠保證盈利。在1970年的大阪世博會上,協和客機一問世即拿下70架的訂單。但也許是協和生不逢時,1973年爆發的世界能源危機使得飛機的燃油經濟性變得至關重要。協和的高油耗直接嚇得大部分航空公司撤回訂單,最終僅有英航和法航在英法兩國政府的資助下采購了16架,這個數字無疑與最初預計的250架相去甚遠。

  而在同年舉行的巴黎航展上,與協和客機極其類似的前蘇聯超音速客機圖-144在飛行表演時直接解體墜毀,更是加深了航空公司對于超音速客機安全性的不信任感。(注:圖-144外形上與協和十分相似,一直以來都有傳言,圖-144的大量借鑒了蘇聯間諜偷竊得來的協和設計圖紙。)

(法航曾經是唯二保有協和機隊的航空公司。 圖源:法航)(法航曾經是唯二保有協和機隊的航空公司。 圖源:法航)

  另一方面,高油耗也限制了協和客機的續航能力,7250公里的最大航程意味著協和只能執飛跨大西洋航線,而無緣跨太平洋航線——如果選擇中途加油,也就相當于放棄了速度的最大優勢。

  協和客機的另一個缺陷則是巨大的噪音:超音速巡航時的音爆。當時,除了倫敦往返紐約的航線之外,英航的協和客機還曾經值飛過倫敦-巴林-新加坡航線。巨大的音爆引起了馬來西亞和印度的強烈抗議,并最終導致該航線的取消。

  更大的麻煩則來自于跨大西洋的黃金航線。當時,許多紐約和華盛頓的環保人士以及東海岸居民都對協和客機的巨大噪音表示不滿。最終,美國國會宣布禁止協和在美國著陸,盡管數年后美國國會網開一面,僅規定協和在北美領空不得進行超音速飛行,但協和的超音速優勢卻在環保力量的作用之下被不斷腐蝕。

(曾經的反協和運動。  圖源:泰晤士報)(曾經的反協和運動。  圖源:泰晤士報)

  此外,令航空公司頭疼的還有協和那高昂的運營成本。每架協和在飛行一萬兩千小時后,都需進行為期十個月的大修,維修費用則高達一千萬美元。盡管英航和法航都從未公布過運營成本的具體數字,但據估計在接近三十年的服役生涯內,兩家航空公司共付出了約100億歐元的天文數字。

  盡管協和客機在經濟上頗受爭議與詬病,但至今也無人可以否認,協和在技術層面上代表著那個時代的巔峰水平。適合超音速巡航的S型前緣三角翼、根據壓力中心轉移而自適應控制的配平油箱、渦輪噴射發動機在民用領域的首次規模應用、可下垂的飛機頭錐,無一不是當時的協和客機制造商——英國飛機公司(British Aircraft Corporation)和法國南方飛機公司(Sud-Aviation)為了超音速巡航而研發的全新技術。

  這些新技術不僅推動了歐洲航天產業的快速發展,其中的電傳操控技術、大規模鋁合金機身的應用更是成為了之后成立的空中客車集團的核心競爭優勢。也正因如此,空客集團在成立之后的三十年內一直為16架投入運營的協和客機提供著最佳的后勤保障。

  不過,隨著二十世紀的逝去,生下來就有“早衰”跡象的協和也漸漸走向了它的終點。

  致命的一擊發生在2000年7月25日。一架法航的協和客機從戴高樂機場起飛后不久就發生了墜機事故,機上109名乘客無一生還。當時,一架美國大陸航空的麥道DC-10客機在跑道上遺留了一塊金屬零件。該零件隨后就卷入正欲起飛的協和客機的起落架,并造成起落架的橡膠脫落,高速飛出的橡膠擊穿了部分機翼,導致飛機電纜外露、燃油泄漏和隨之而來的熊熊大火。

  這是協和歷史上唯一一次空難,但由于協和客機相對較小的累計載客量,此次空難之后,協和一躍成為“最不安全”的民航客機。出于對安全隱患的擔憂,協和迎來了長時間的停飛。在經過了長達18個月的事故調查之后,協和才被允許再次起飛。但此一時彼一時,剛剛經歷了911恐怖襲擊和能源大幅上漲的航空界早已是寒冬。孱弱的盈利能力、巨大的油耗、無法保障的安全性造成的客流損失,協和再也無法支撐下去了。2003年10月24日,最后一架隸屬英航的協和客機降落在了倫敦,而在這之前5個月,法航早已終止了協和的運營。至此,曾經的先鋒也從機場走入了博物館。

(法航4590航班災難前的一秒。   圖源:youtube)(法航4590航班災難前的一秒。   圖源:youtube)
(協和的最后一次紐約-倫敦航線   圖源:pinterest)(協和的最后一次紐約-倫敦航線   圖源:pinterest)

  夢想永不熄滅

  隨著協和退役一起逝去的,是民航的超音速時代,跨大西洋航線耗時也再次回到了8個小時。

  但是,超音速旅行的夢想卻沒有熄滅。隨著計算流體力學和發動機技術的突飛猛進,一批超音速客機項目又如雨后春筍一般涌現在人們視野之內。

  其中,領先一個身位的是位于美國科羅拉多的初創企業Boom Supersonic。這家2014年才成立的公司立志接過協和的大旗,并成為引領下一個超音速旅行時代的開創者。早在2016年,Boom就推出了代號為Overture的下一代超音速客機計劃。

  根據產品規劃,該款客機的載客量為55人,2.2馬赫的巡航速度還略高于協和。Boom Supersonic也充分吸取了協和的教訓,在燃油經濟性上做足文章。公司董事長肖勒(Blake Scholl)此前就表示:“Overture的票價將和目前客機的商務艙價格持平,我們的目標是,讓所有旅客都能享受超音速飛行。”根據肖勒的說法,憑借更先進的氣動外形、輕量化的機身以及全新的發動機,Overture的油耗將比協和低75%。此外,Overture特意選用了55座這個較保守的載客量也是為了避免重蹈協和客機后期慘淡上座率的覆轍。(注:協和的載客量為100至110人。)

  在2017年的巴黎航展上,肖勒宣布公司已經拿到了五家航空公司76架飛機的訂單,其中就包括英國維珍航空。今年年初,Boom Supersonic又宣布拿下1億美元的新一輪融資。

  不過,在風投領域和航展上風投正勁的Boom Supersonic在技術研發上似乎并不順利。該公司原定于2018年底試飛其超音速客機Overture的2座縮小版測試機XB-1(又名Baby Boom),但試飛已因技術原因延后至2019年,具體時間至今不明。而Overture正式投入商業運營的時間點,最樂觀的預估也要拖到2023至2025年。據肖勒透露,Overture的目錄價格預計將為2億美元,略低于目前波音和空客的寬體客機。肖勒相信,憑借該公司的Overture,航空公司可以從激烈的競爭中脫穎而出。

(Boom Supersonic的Overture渲染圖   圖源:Boom)(Boom Supersonic的Overture渲染圖   圖源:Boom)
(Boom Supersonic的XB-1測試機渲染圖  圖源:Boom)(Boom Supersonic的XB-1測試機渲染圖  圖源:Boom)

  另一個在超音速客機領域躍躍欲試的參與者是2002年成立的美國公司Aerion Supersonic。與Boom Supersonic不同,Aerion Supersonic瞄準的是超音速商務機市場。該公司正在的研發的AS2商務機載客量僅為12座,但是與超音速飛機常見的三角翼不同,AS2采用了短小的平直翼。根據公司介紹,這種類似鶴一樣的設計,可以通過最大化層流邊界層、延后甚至避免轉捩點的出現,達到減少20%空氣阻力的效果。與之相對的,平直翼的設計也使得AS2在超音速巡航時的氣動效率受到負面影響,因此AS2的飛行速度也僅為1.5馬赫。

  與Boom Supersonic依靠資本市場單打獨斗不同,Aerion Supersonic早在2014年就和空客集團締結了伙伴關系。在2015年,Aerion Supersonic更是拿到了加拿大飛機租貿公司Flexjet的20架AS2訂單。按照公司的規劃,AS2的首飛將定于2021年,而2023年起AS2將以1.2億美元的單價進入航空市場并投入商業運營。(注:有消息稱,2019年初,空客已經退出Aerion Supersonic,取而代之的是老對手波音集團。)

(Aerion Supersonic的AS2渲染圖  圖源:Aerion)(Aerion Supersonic的AS2渲染圖  圖源:Aerion)

  除了初創公司之外,覬覦超音速客機市場的名單上還有一個巨頭:NASA。

  2016年,NASA就開始與洛克希德·馬丁公司合作研發一款名為X-Plane的超音速客機(又稱Low Boom Flight Demonstration Aircraft或X-59 QueSST)。由于美國聯邦航空管理局(FAA)已經因音爆問題而禁止民用飛機在美國領空進行超音速飛行,因此X-Plane的研究重點在于大幅降低音爆水平,并為超音速飛行掃清法律障礙。

  根據NASA的模擬結果,X-Plane超音速巡航時發出的噪音約為75 PLdB(Perceived Level Decibel,又稱感知等級分貝),僅相當于關閉汽車車門的撞擊聲,而協和客機的噪音水平則為105 PLdB。根據計劃,X-Plane的原型機將于2021年底完成,并將于2022年在全美各大城市上空進行測試,除了收集飛行數據之外,NASA還希望能獲得當地居民的反饋。

  如今,每位去圖盧茲或者辛根海姆博物館參觀退役協和客機的游客都會驚訝地發現,在所有協和客機的儀表板和客艙隔板之間的縫隙中都牢牢地鑲嵌著一頂飛行帽,而且根本無法取下。

  這個小紀念品出自于飛行工程師之手。由于超音速飛行過程中劇烈的空氣摩擦和激波壓力,協和客機的機身表面會被加熱到130℃,機身也會相應膨脹300毫米,儀表板和客艙隔板的縫隙也會脹開。在每一架協和客機的最后一次航行中,所有飛行工程師都將自己的致敬隨著飛行帽一起,永久地嵌入了這架美麗的飛機之中。

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