天鹅之歌

天鹅之歌纪念协和式超音速客机
晨枫
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
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
60 年代初，英国布里斯托尔飞机公司（Bristol Aeroplane）和法国南方飞机公司（Sud Aviation）分别提出超音速客机的方案，前者为布里斯托尔198 方案，后者为“超快帆”。

布里斯托尔198 采用大后掠无尾三角翼，翼下6 台罗尔斯罗伊斯“奥林普斯”涡喷发动机，载客130 人，速度M2.2。

布里斯托尔198 过于野心勃勃，后来被英国飞机公司（British Aircraft，由众多中小飞机公司合组而成，布里斯托尔是其中的一个）的BAC223 方案代替，气动外形基本不变，尺寸缩小，采用翼下 4 台“奥林普斯”发动机。

法国南方的“超快帆”可以算作亚音速“快帆”SE-210 的超音速版，气动外形和BAC223 十分相似，但是要小一号，只能载客70 人，航程3,200 公里。

英法的超音速客机项目都是高度依赖政府的赞助，但是单干的成本太大，英国政府要求BAC 必须找到一个国际合作伙伴，分担开支和风险，
BAC223 和“超快帆”合并为协和式计划。

BAC223 已经很有现在协和式的样子了
超快帆的样子也大同小异，不过要小一号
对于欧洲，60 年代是一个充满动荡和惶惑的年代。

第二次世界大战的伤口开始愈合，人们开始重新拾起战前生活方式的碎片，休闲旅行重新活跃起来，空中旅行成为新的时尚。

但是，欧洲的天空充斥着波音、洛克希德、道格拉斯的飞机。

更重要的是，老牌帝国们昔日的辉煌不再，欧洲生活在苏联铁幕的阴影和美国的核保护伞之下，对自己的未来充满惶惑。

为了把不乏先进技术但市场和研发支离破碎的欧洲航空工业整合起来，形成规模优势，
重建昔日的辉煌，以此带动欧洲经济和政治的复兴，以英法为主的欧洲国家很早就开始探索欧洲合作，协和式是这一努力的顶点。

英国最初的想法是把美国和西德也拉进来，但是美国的胃口更大，而且热衷于单干，对和欧洲合作没有太大的兴趣。

西德刚从战后的废墟中爬出来，战后初期的军控条约也限制西德涉及有军事潜力的航空领域，所以也只好作罢。

这样只剩下英法两家成为自然的合作伙伴。

有意思的是，这不是两个公司之间的商业协议，而是两国之间的政府协议。

为了保证项目的顺利进行，协议还规定了退出条款，单方面退出将受到严厉罚款。

英法在历史上恩恩怨怨了几百年，英国人对法国人的成见是像刺毛虫，尤其是涉及国家、民族荣誉问题，碰不得的；法国人对英国人的成见是傲慢、散漫。

协和式使两国的工程技术人员发挥了最大的民族自尊和职业荣誉，在合作中展开了积极的竞争，最后结果是双赢，双方都把最好的东西放上了桌面。

但是，几百年的隔阂总是给合作带来一些意想不到的问题。

比如法国人的称呼比较正式，多用姓，而英国人比较随便，称呼人喜欢用名。

有一次，在经过紧张的讨论后，双方终于达成协议，大家都松了一口气后，英方主管对法方主管说：“让，我们应该把刚才讨论的东西记录下来，要不要让克劳迪娅进来速记一下？”法方主管有点丈二摸不着头脑：“好啊，鲍伯，可谁是克劳迪娅？”其实克劳迪娅就是他的秘书，但他多少年来就是叫她杜邦小姐的。

由于牵涉到民族尊严，协和式的名称也有过一段不大不小的插曲。

法国一直称之为Concorde，这是法文的拼法。

英国一开始也称之为Concorde，后来曾短期按英文拼法改为Concord，但最后还是改回到Concorde。

这多出来的一个“e”引起了英国国内强烈的非议，政府只好解释说这个多出来的“e”指英国（England）、优秀（Excellence）、欧洲（Europe）、协约（Entente cordiale，这是英法在1904 年签订的条约，中止了两国之间近千年的敌对）。

这样的牵强附会的解释当然进一步引起英国人的不满，苏格兰裔的议员甚至要把“e”改为“s”，因为协和式的机头锥是在苏格兰制造的。

政府方面只好强辩“e”也是Ecosse，这是法文中苏格兰的拼法。

东拉西扯，总算把“e”的问题摆平了。

但多年后，英国政府中有关人士回忆说，这个“e”还不如说是挥霍（Extravagance）和涨价（Escalation）呢。

叫不叫姓或者加不加“e”都不是大问题，大的问题是英法两国对超音速客机的基本设计要求有根本分歧。

英国的想法是大型、远程，只有这样，才能体现出超音速的优越性；法国的想法是中型、近程，只有这样，才能够控制技术风险和成本，有利于未来的进一步发展。

这种分歧不是在协和式上才出现的。

纵观英国飞机，多为跨越发展，很少继承，以战斗机为例，战后的“闪电”式、“狂风”式和“台风”式，很难看出一脉相承的技术思路。

相反，法国
的幻影3、幻影2000 到“阵风”式就是小步快跑，可以看出清晰的技术接力。

在反复争论后，英国方案在1964 年成为最后的方案。

至今，法国人认为协和式是法国飞机，英国人认为协和式是英国飞机，两家都不愿意放弃这个60 年代科技最高水平的象征，有时还会为了“版权”而争执呢。

1967 年12 月11 日，第一架协和式在图卢兹下线，1,000 多贵宾到场助兴
英国的第一架协和式在1968 年9 月19 日下线
001 号、002 号和预生产型101 号机在英国Fairford 机场展示按照协议，法国宇航的图卢兹工厂和BAC 的菲尔顿工厂各自制造一架原型，图卢兹的001 号飞机在1969 年3 月2 日首飞，10 月 1 日首次达到超音速。

菲尔顿的002 号飞机于同年4 月9 日首飞。

1971 年9 月 4 日开始，001 号机开始了促销之旅，002 号机在1972 年 6 月2 日也同样踏上了促销的旅途，并于1973 年首次飞抵美国，参加了当时世界最大的达拉斯-沃斯堡机场的开幕式。

促销活动最终赢得了109 架意向性订货，泛美、英航、法航是启动用户，大陆、美航、联航、环航、加航、新航、日航、汉莎、巴西、Braniff、伊朗、澳航、希腊的奥林匹克、黎巴嫩的中东航空都下了意向性的订单，甚至中国民航也意向性订购了两架。

加航涂装的协和式，意向性订货4 架
澳航涂装的协和式，意向性订货前后共10 架
印度航空公司涂装的协和式，意向性订货2 架
美航涂装的协和式，意向性订货前后共10 架
日航涂装的协和式，意向性订货3 架
环航涂装的协和式，意向性订货前后共10 架
联航涂装的协和式，意向性订货6 架
泛美涂装的协和式，意向性订货6 架
最后只有英航和法航真正定了货，这是英航的协和式
这是法航的协和式
与此同时，协和式的试飞和生产准备也在紧锣密鼓地进行。

协和式共进行了5,335 小
时的试飞，其中有2,000 小时是超音速。

协和式的一些飞机记录至今没有打破。

了9 分钟
1970 年11 月4 日，图卢兹的协和式001 号机达到两倍音速，11 月12 日，菲尔顿的002 号机也达到了两倍音速。

这是哥儿俩在巴黎航展上做秀
协和式上集中了60 年代欧洲航空技术的最高水平。

在飞控上，协和式首次在民航飞机
上采用了模拟电传飞控，比传统的机械飞控的响应速度大有提高。

全工况自动驾驶仪和自动油门可以从起飞拉起后一直控制到降落，全程自动控制飞行。

协和式还采用模拟电传发动机控制，这是现代全权数字发动机控制的前身。

协和式的S 前缘大三角翼不是为了时尚，而是精巧的气动设计的结果，最大限度地减少升
力中心随速度的移动和由此而来的气动特性变化
发动机的位置较为靠外，这样对机翼卸载有利
协和式不仅机翼内有油箱，机尾也有油箱
燃油可以在各油箱内转移，用于控制飞机重心和升力中心的相对位置，减少用气动控制面配
平的必要
协和式前所未有的速度使设计遇到了前所未有的问题。

超音速飞机的机翼升力中心随速度的上升而后移。

由于飞机的重心没有变，升力中心的后移导致飞机产生下俯力矩，必须压尾（常规或者无尾布局）或者抬头（鸭式布局）才能补偿，才能维持水平飞行。

这个动作称为配平。

传统上，配平由平尾的偏转来实现，但这要引起阻力，这就是所谓的配平阻力。

协和式在设计上采用S 前缘的大三角翼，在产生升力较少的翼根处采用很大的后掠角，以
降低阻力；在主要产生升力的机翼外段采用较小的后掠角和较小的机翼弦长，相对约束了升力中心的后移。

圆浑的翼尖则逐渐减小升力，减少翼尖失速的问题，维持有效翼展。

但S 前缘三角翼不能完全消除配平问题，剩下的就通过将燃油在机内前后油箱之间转移，自动控制重心来达到配平，这样可以减少使用控制面，降低配平阻力。

翼下的四台罗尔斯罗伊斯“奥林普斯”是当年推力最大的喷气发动机。

更加省油和安静的涡扇发动机迎风面积较大，阻力太大，不适合超音速客机的使用，所以“奥林普斯”采用涡喷。

发动机推力按照巡航要求最优化，起飞加速和冲过音障需要最大推力时用加力解决。

实际上，非加力推力也勉强足够协和式达到超音速，但在跨音速阶段加速的时间加长，最后的累计耗油率反而高。

“奥林普斯”是西方民航飞机上使用的唯一的加力发动机。

为了进一步优化发动机的工况，进气口采用大型斜板调节激波的位置，并对进气预压缩，使发动机从亚音速到超音速都能处在最优的进气状态。

进气口的调节斜板不仅对进气预压缩和控制激波位置，还可以在发动机空中熄火时，维持发动机舱周围的气流流线性，减少不对称推力的影响
这是华盛顿国家航空航天博物馆里的协和式，站在巨大的进气口下，真是十分的震撼
英国Duxford 航空博物馆里的协和式，发动机的反推力装置清晰可见
打开加力时，发动机的喷焰是火红的
超音速飞行的另一个平常较少考虑的问题是发动机熄火对飞机的稳定性和结构强度的影响。

发动机不光提供推力，还把气流“攒”过来。

一旦熄火，不光丧失推力，本身进入风车状态反而成为一大阻力来源，造成严重的偏航力矩。

亚音速的时候发生这个问题已经够麻烦了，要是超音速的时候突然来这么一下，飞机有可能就此空中解体。

协和式对这个问题的解决很有意思。

一旦发动机熄火，进气口的斜板下垂，基本封闭进气口，将气流导向发动机下，使流场恢复流线型，另外气流对斜板的冲压也产生一点升力。

在试飞中，协和式可
以将一侧的两台发动机全部关掉，而不至于引起飞控稳定性问题。

协和式机体表面受到气动加热的严重影响，巡航时，机头最高温度达到127 度，风挡玻璃
热得烫手
协和式的速度为M2.02，这是由铝合金结构的耐温极限所决定的，速度更高的话，气动加热更加严重，需要用沉重的不锈钢或者天价的钛合金了。

英国在早期制造世界上第一架喷气客机“彗星”式的时候，吃了金属疲劳的大亏，接连摔了好几架。

协和式在起飞加速时，机体表面升温；飞入高空寒冷大气时，机体表面降温；加速冲过音障时，机体表面再次加温；减速下降过程则反一反。

这样一来，协和式每次飞行都要经过两个升温-降温循环，金属疲劳的问题不容小视，英国为此花了极大的功夫解决。

事实上，协和式的机体在超音速的时候，由于热胀冷缩将拉长300 毫米，热胀间隙最大的地方是随机工程师的工作台和舱壁之间，所以所有协和式在退役前的最后一次飞行中，随机工程师都把自己的帽子放在这个缝隙里，到地面冷却后，帽子就永久性地夹住了，成为所有今天在航空博物馆里的协和式的一个共同的特色，好像一个不成文的传统一样。

西雅图航空博物馆里的这个帽子被一个小偷用刀割下来，结果博物馆广出公告，保证不追究，小偷才把帽子还了回来。

气动加热的问题不仅在机体，超音速飞行的时候，座舱风挡玻璃热得烫手。

另外一个问题是飞机的涂装。

所有协和式都是洁白的涂装，这不是偶然的，这是用来保护铝蒙皮的。

唯一例外是1996 年时，法航把一架协和式涂上百事可乐的深蓝色，但代价是这架飞机在M2 速度时只能飞行20 分钟，否则漂亮的涂装可能会烫得剥落。

好在这架飞机那时已经只用作短途促销飞行，不再需要长时间超音速飞行了。

对于载客量只有100 人左右的协和式来说，厕所设置在两头就足够了，但为了避免狭长机舱带来的压抑感，和避免机体由于刚度不足而带来弯曲引起旅客的惊惶，机尾的厕所故意设
在中间
超音速飞行的气动受力也是非同小可，相对软弱的机翼外段后缘的控制面在超音速飞行时锁定在水平位置，只用较强壮的安装在机翼内段后缘的控制面。

纤细修长的机体的刚度也不太高，飞机起飞的时候，从机长位置往回看，可以看到机舱的弯曲。

不过协和式在设计时特意在机舱中段设置了厕所，阻隔旅客的视线，避免不必要的联想，也减少坐在修长机舱内像在水管子内的感觉。

起飞时拉起的角度很大，所以起落架需要特别长
着陆时特别需要前下方视界良好，所以机头锥可以自动下垂，落地后再升起一点，避免触地为了在起飞失败后迅速减速，协和式的刹车采用了全新概念的防抱死刹车，这是现代汽车上防抱死刹车（ABS）的前身。

为了耐高温，协和式的刹车采用碳材料。

在紧急刹车时，刹车可以在1,600 米内把飞机从305 公里/小时的起飞速度停下来，但这时刹车片温度可以高达300-500 度，需要几个小时才能完全冷却下来。

不光刹车，起落架也需要格外强壮。

这是因为协和式的无尾三角翼布局不仅使起飞速度较高，起飞时也需要较大的迎角才能产生足够的升力，这样起落架在最后离地的时候角度较大，需要额外加强，而且长度也因此增加。

较长的起落架不仅重量增加，还引起额外的问题。

如果像常规的那样从两侧向中间收起，两个起落架要打架，所以只好先缩起一部分，再向中间偏转，进一步增加了复杂性和重量。

起飞、着陆时较大的迎角使飞行员的视界受到严重的影响，所以协和式采用可以下垂的机头锥，在地面、起飞、着陆时下垂，改善飞行员的视界；进入平飞状态后升起到水平状态，减小阻力。

不过着陆时尤其需要优良的前下方视界，但下垂过多，落地后可能造成机头锥触地，所以主起落架接地时，机头锥下垂角度自动减小，保证机头锥不至于在前起落架落地时发生触地问题。

由于协和式的18,000 米的巡航高度大大高于通常高亚音速客机的12,000 米巡航高度，宇宙射线的强度因此加倍，在太阳黑子活动激烈的时候，对于旅客的健康可能造成影响。

协和式的驾驶舱内因此有一个宇宙射线探测仪，发现宇宙射线强度异常升高的话，飞行员将迅速下降到14,000 米的巡航高度。

更高的巡航高度的另一个问题是座舱万一发生减压。

在15,000 米以上的高度上，座舱一旦失去压力，即使身体健壮的人也将在10-15 秒内失去知觉。

高速飞行带来的文丘里效应甚至可能形成抽吸，使机舱压力低于外部大气压力，进一步加剧这个问题。

汽车高速行驶时，车内的纸片肯定飞出车外，而车外的树叶不大可能飞入车内，这是一样的道理。

所以协和式的机窗都很小，不仅有利于结构强度，也在万一发生漏气时放慢漏气速度。

与此同时，辅助压力系统将维持机舱压力一段时间，飞行员按规定应该迅速下降高度，尽量恢复机舱压力。

世界上唯一可以和协和式相提并论的飞机就是图-144。

图-144 采用钢和钛的机翼前缘，所以最高速度可以达到M2.35，高于协和式，但图-144 需要开加力才能达到两倍音速以上的速度，极大地缩短了航程。

图-144 的机翼是简单的直前缘双三角翼，为超音速飞行而高度优化，低速性能不好，以后只好用可收放的鸭式前翼加以补偿。

图-144 的发动机出人意料地采用低涵道比涡扇，但这并不适合于超音速巡航，后来试用涡喷反而增加了超音速航程，但这时图-144 已经撤出航班飞行了。

流产的美国波音2707 曾打算把最高速度提到三倍音速，计算结果表明，伦敦到纽约的跨大西洋飞行只比协和式快20 分钟，但技术复杂性和成本极大地提高了。

几经周折和严重超支拖延之后，加上公众对噪声和污染的强烈反对，美国国会终于对波音2707 失去了信心，撤销拨款，这个美国历史上唯一政府出资的民航客机项目就此偃旗息鼓。

今天的大型喷气民航客机尽管种类、型号五花八门，但要一眼辨认出谁是谁，就是对于老鸟，也是很有一点挑战的。

只有协和式，妇孺皆知，绝无认错的可能。

在最初的公众反对声浪过后，协和式的飞行成为少有的公众仰慕的对象。

协和式飞越的地方，很多人会出来观看，甚至挥手致意。

对于协和式的公关效应，英国人实在是太清楚了。

协和式时常出现在皇家庆典上，协和式和“伊丽莎白女王二世”号豪华邮轮或者英国的“红箭”飞行表演队同台演出成为英航公关的保留节目。

英国公众对协和式也是投桃报李，在2006 年的BBC 和伦敦工艺美术博物馆（Design Museum）合办的大英设计大赛（Great Britain Design Quest）中，协和式击败迷你汽车、迷你裙、捷豹E Type、“喷火”式战斗机而力拔头筹。