超音速客机研制历程:美国竞争中输给欧洲

1962年11月,英国和法国政府共同宣布达成一项联合研制超音速客机的协议,当时这个消息曾经让美国的飞机制造企业倍感压力  

1962年11月,英国和法国政府共同宣布达成一项联合研制超音速客机的协议,当时这个消息曾经让美国的飞机制造企业倍感压力

  新浪科技讯 北京时间3月25日消息,1962年11月,英国和法国政府共同宣布达成一项协议,当时这个消息曾经让美国的飞机制造企业倍感压力。

  英法两国宣布,他们将联合研发一款能够以超过两倍音速飞行的新型民航客机。这款新型飞机被命名为“协和”(Concorde),它将成为有史以来最先进的民航客机,向世界展示欧洲航空工业设计与制造最尖端水平民航客机的水平。

洛克希德马丁公司的L-2000方案是当时胜出的两型超音速客机设计方案之一

洛克希德马丁公司的L-2000方案是当时胜出的两型超音速客机设计方案之一

  美国直面欧洲挑战

  美国不甘落后。时任美国总统肯尼迪决定直面来自欧洲的挑战,欧洲人的协和客机将面临美国的竞争。美国决心建造自己的新型客机,它的飞行速度将比射出的来复枪子弹还要快。

  这项由国家发起的重大工程最终选定了两款设计原型为基础进行进一步研发,其中一款设计方案来自航空业巨头波音公司,另外一款设计方案则来自另一家顶级航空企业——洛克希德马丁公司。然而这项宏大的计划最终却陷入了政治漩涡。受环境保护主义者们的强烈反对以及不断高企的成本诸多因素的夹击,美国版的“协和”客机从未能够展翅起飞。

  然而,在时隔50多年后的今天,美国却计划重新将超音速客机的研制提上议事日程。近日,洛克希德马丁公司宣布了一项与美国宇航局之间的合作项目,计划研制一款安静型的超音速客机,并计划在未来用作民航用途。那么,在这样的一个时刻,从当年美国研制该国版本的“协和”客机失败事件中,我们能够汲取哪些教训?

  在1960年代,波音和洛克希德马丁公司是世界上两家最有经验的飞机制造商。波音公司生产的高可靠性民航客机产品革新了人们的出行方式,而洛克希德马丁公司则设计制造了世界上第一款飞行速度超过两倍音速的飞机:F-104“星”(Starfighter)式战斗机。

  甚至在欧洲人宣布他们的协和客机计划之前,美国的飞机公司便已经在严肃考虑研制超音速喷气式客机的可行性,也就是他们所谓的“超音速运输器”(SST)。1961年,另外一家美国飞机制造商道格拉斯公司研制了一款概念机型,其飞行速度可以达到3倍音速(3马赫)。道格拉斯公司不但坚信这款飞机将能够在1970年达到实用程度,并且还相信这款飞机一旦投入市场将能够赢得数百架的订单。

在整个1960年代,超音速客机的“2707”方案一直都是波音公司内部的头号项目

在整个1960年代,超音速客机的“2707”方案一直都是波音公司内部的头号项目

  冷战的压力

  但事情还远没有结束。事实证明,欧洲人搞出来的协和客机并非是引起美国人关注的唯一事件。在冷战“铁幕”的背后,苏联著名的图波列夫设计局同样正致力于超音速飞机的研发,他们的产品被称作“图-144”。在超音速客机领域被英法两国击败是一回事,但要是被苏联人甩在后面,那情况可就完全不同了!于是突然之间,对于当时的美国来说,研制超音速客机一下子变成了一项几乎和登月竞赛同样紧迫的任务。设在弗吉尼亚州的美国宇航局兰利研究中心超音速项目主管皮特·科恩(Peter Coen)说:“当你回顾那段时期,在航空领域的确是取得了很多重要的突破。”他说:“不管它背后是什么原因,是为了赢取市场,或是急需某种机型,再或者仅仅就是为了打败俄罗斯人和欧洲人,但航空技术领域的巨大进步是真实的。”

  当时肯尼迪总统给洛克希德马丁以及波音公司抛出的胡萝卜是:任何一家公司,只要能够设计生产出一款性能上能够击败欧洲协和客机的民用客机产品,那么美国政府将承担其研发费用的75%。实际上,从1950年代晚期开始,这两家公司都已经各自开始进行了超音速客机概念方案设计工作。这类设计中大部分都参照了欧洲和苏联的设计理念,采用了三角翼方案。

  随着飞机逐渐从螺旋桨时代过渡到喷气推进时代,传统的直翼方案越来越难以适应新的情况。向两侧伸展开的长长机翼产生的阻力太大,一旦安装了强大的发动机,在高速飞行的情况下机翼很容易发生折断。而三角形机翼则能够提供更好的稳定性,也能够应对在极高速度飞行状态下的应力条件——法国的“幻影III”和苏联的“米格-21”战斗机都已经证明了,采用此类机翼设计的航空器能够轻松突破两倍音速甚至更高速度。

  于是洛克希德马丁公司选定三角翼方案作为其新飞机设计蓝本。根据设计,这款飞机飞行高度将能够运载270名乘客,并以每小时3200公里的速度飞行。相比之下,波音公司的设计方案采用可变机翼,也就是所谓的“可变后掠翼”方案,这款飞机的飞行速度能够达到2.7马赫,约合每小时2800公里,运载能力同样是270名乘客,最大航程则达到大约6700公里。

  这种可变机翼方案具有多方面的优势:在低速飞行阶段它可以处于展开状态,从而更好应对起飞与降落时的飞行姿态;当飞机逐渐提速时,机翼收起,形成紧凑的三角翼气动布局。——这一新颖设计肯定让美国政府感到眼前一亮,印象深刻,因为在经过一系列的测试之后,美国政府在1967年1月1日决定选中波音公司的方案,代号“2707”。

波音公司西雅图工厂内正在组装的三角翼型“2707”全尺寸模型机

波音公司西雅图工厂内正在组装的三角翼型“2707”全尺寸模型机

  命运多舛的波音“2707”方案

  吉特·米切尔(Kit Mitchell)在上世纪60年代担任英国皇家航空研究所(RAE)的首席科学主管,参与了协和客机的研制过程。他指出,当年波音的2707工程最大的问题就是它想要实现的目标太多了,而要想达成这些目标所需的相关技术在当时还都处于不成熟的初期阶段。米切尔指出,2707工程想要在飞行速度上大幅度超过协和客机非常不现实。他说:“当我们在设计制造协和客机的时候,我们已经将技术做到了当时条件下的极限,而美国人所想要追求的东西则太过艰难了。”

  米切尔表示2707项目所追求的超高速性能对这款飞机的每一个部件都提出了巨大的挑战。在这样的极端飞行速度条件下,飞机机身将承受极端过热的考验——事实上,协和客机在飞行过程中,其机身的多处部位温度会超过水的沸点,而当协和客机以2马赫速度巡航时,其机头位置的表面温度将达到127摄氏度。米切尔指出:“任何东西,从密封剂到电缆再到窗户,你能想到的任何部件都将需要经过专门设计以应对这样的飞行条件,这其中存在着太多的未知。”

  但是外界或许很难去批评为何波音公司没能向该项目的研发投入足够的资源以确保项目推进,因为波音的确可以说已经尽了最大的努力。正如波音公司的历史学家迈克·伦巴第(Mike Lombardi)所言:“考虑一下当时的情况你就知道这件事是多么的雄心勃勃。在波音公司开展超音速客机研制的同时,这家公司同时还在进行后来成为波音747大型运输机的机型研制,而波音737大型客机也才刚刚投入运营不久。另外要记住当时美苏之间正在进行登月竞赛,而波音也是这一项目的深度参与者,再者,波音当时手头还有一些军方的其他订单需要完成。”

  他说:“也就是说我们要参与登月竞赛,还要建造波音747飞机,但即便是在这样的情况下,2707工程仍然被波音列为了公司排名第一位的重要项目。乔·萨特(Joe Sutter)当时在公司负责747飞机的研制,他就曾经抱怨自己想要一些工程师时有多么困难,因为所有工程师都被投入到了超音速客机项目的设计工作中去了。”

  美国的国家荣誉危如累卵,但政治意志也无法帮助波音克服在这款太过先进的机型设计过程中所遭遇到的空前困难。一些军用飞机此前已经采用了超音速设计,但这些飞机都是小型飞机,乘员只有两个人。要将这样的技术进行升级,设计一款能够搭载300人左右的大型客机,其中的技术挑战是巨大的。伦巴第表示:“波音面临的一项重大困难是巨大的额外质量。飞机的轴承必须建造得非常重,但这样的重量几乎是无法接受的。设计团队只能回到设计板前重新来过。”

  甚至是设计师们退而将设计改回三角翼布局时,他们仍然发现自己无法解决超重问题,这就意味着飞机将无法依靠自身携带的燃料完成从美国飞往欧洲的航行。米切尔表示:“实际上,协和客机的原型机以及早期型号也存在着同样的问题。因此我们必须不断完善相关设计,最终协和客机的生产型成为了首款能够以超音速巡航飞越大西洋的机型。”

洛克希德马丁公司和美国宇航局近日达成一项协议,双方将开展新型超音速飞行器的技术验证工作

洛克希德马丁公司和美国宇航局近日达成一项协议,双方将开展新型超音速飞行器的技术验证工作

  扼杀超音速客机的最后一根稻草

  机翼还不是唯一的问题。2707型飞机在突破音障时产生的巨大音爆成为另外一大顾虑。科恩表示:“当我们意识到它产生的音爆效应将是多么巨大时,这几乎一夜之间终结了超音速客机在美国上空飞行的可能性。”

  同样的,这也是协和客机面临的棘手问题。尽管在研发成功后,协和客机一开始接到了一些美国航空公司的订单,其中包括泛美航空和环球航空,但随着环境方面的顾虑逐渐显现,航空公司开始意识到协和客机只能被允许在海洋上空飞行,从而远离陆地上的人口稠密区,这样就大大限制了其航行路线。这也是为何协和客机飞行的航线只局限在美国东海岸的原因。由于这些因素,来自美国方面的这些订单最终也被取消了。

  科恩表示:“大部分航空公司的选择都很简单,那就是它们采购的客机不能只能应用于少数几条航线上。想一想——如果你采购了昂贵的超音速客机,那么你就会希望在尽可能多的航线上采用它,只有这样才有可能收回成本。”

  在设计2707工程的上世纪60年代,航空燃油价格基本上还算是便宜的,但波音公司的设计方案油耗实在太过惊人,以至于其燃油方面的耗费便已经足以抵消其超音速性能所能带来的优势——简单说就是能够凭借其更高的飞行速度,每年能够在两座机场间来回运输更多数量的旅客。

  伦巴第表示:“最终让波音放弃2707方案,也是最终迫使欧洲协和客机运营历史的因素还是超音速客机巨大的油耗。燃油成本开始变得难以承受。在1971年的经济萧条期间,油价开始飙升。但即便当年航空公司还能勉力维持,那么到了1973年的海湾石油危机期间也就再也无法支撑了。如果在那样的条件下还坚持继续推进这项工程的话,那将成为一个巨大的灾难。”

  “2707”项目的遗产

  波音之所以成为一个家喻户晓的品牌,是因为它开发设计的那些能够飞上天的飞机,那些能够在节假日搭载着人们飞到世界各地旅行的飞机。尽管波音的2707工程最终还是没能飞上蓝天,但这个失败的项目仍然留下了许多有价值的东西。

 他说:“2707项目的开发过程对波音747飞机的开发产生了很大的影响。当时波音的想法是,世界上所有的航空公司都会想要采购超音速客机,没有人会购买亚音速客机。因此波音当时还专门制定了计划,在1970年代的某个时间将所有747客机改装成货运飞机销售。但事情的结果却是,波音747客机销售取得了巨大的成功!”

  并且,尽管2707项目开发失败了,但在这一项目实施的过程中波音学到了很多有益经验,这也为波音公司未来数十年间一系列试验项目铺平了道路,其中就包括近些年波音研发的一些不载人先进飞行器,如1990年代研制的“高速民用运输器”(HSCT)项目等等。

  而洛克希德马丁公司的L-2000方案则或许将迎来重生的机会,感谢该公司与美国宇航局之间近期签署的合作协议,双方将共同研发一款试验性技术验证机原型,旨在为未来的超音速客机技术积累技术基础。或许在未来的某一天,美国制造的超音速客机真的将会腾空而起——而且这次可没有讨人厌的欧洲人来捣乱了。

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