协和式飞机超音速崛起与衰落的幕后故事,在其最后一次飞行 15 年后

如今,美国国家航空航天局 (NASA) 和洛克希德·马丁公司正努力让超音速飞行重返大众市场。

技术发展的典型叙事是这样的:新事物被发明出来,然后过时,接着我们用更先进的版本取代它。但在极少数情况下,一项技术会先进到让我们在它过时时还尚未准备好取代它。例如协和式飞机。它是一架超前的飞机——字面意义上的超前,因为它从巴黎或伦敦飞往纽约的航班速度如此之快,以至于着陆时的时间甚至比起飞时间还要早两个多小时:今天只有越过国际日期变更线才可能实现这种情况。这架超音速喷气机本应开启一个交通运输的新时代,但就在首航 27 年后,这架充满未来感的飞机就退役了,而且没有继任者——事实上,就在今天 15 年前——从此,超音速客运旅行就消失了。

原因有很多,但通常归结为两大问题:协和式飞机不经济,而且它产生的音爆对地面上的人们造成了极大的困扰,因此它只能在水面上飞行。第一代和最后一批协和式飞机在人们找到解决这些问题的方法之前就已经老去,所以没有人推出闪亮的新型号来取代它。但地平线上仍有希望。2016 年,NASA 宣布了一项开发更安静的超音速飞机的计划,并授予了洛克希德·马丁公司一项合同,这意味着公众很快就能再次以超过音速的速度飞行了。

超音速的兴衰

1903 年 12 月 17 日,莱特兄弟在北卡罗来纳州基蒂霍克进行了首次飞行后,航空业以前所未有的速度发展。二十年之内,第一次世界大战就将战争带上了天空,商业航空公司也将客户运送到世界各地。1947 年 10 月 14 日,航空业又向前迈出了一大步;试飞员查克·耶格尔(Chuck Yeager)乘坐贝尔 X-1 喷气式飞机,成为第一个打破音障的人,达到了马赫 1 的速度。这架飞机是美国空军和美国国家航空咨询委员会(NACA,NASA 的前身)合作的项目。但 X-1 本身主要用于研究,而非载客。很快,超音速军用飞机兴起,但与 X-1 一样,它们只是短跑选手:它们只能以马赫 1 的速度飞行几秒钟,最多几分钟,然后就耗尽燃料。虽然这对于执行急转弯的小型飞机来说是可行的,但大型商用客机——通常直线或缓慢转弯飞行——需要更长的时间以超音速巡航。

然而,这一进展激励了商业航空业开始研究超音速运输机(SST),也就是民用超音速飞机。虽然 X-1 证明了我们拥有以超音速飞行的能力,但还有一些主要细节需要完善,例如在相对长途的飞行中持续以马赫 1 以上速度巡航的能力,以及该项目的经济可行性。包括美国在内的多个国家在 20 世纪 50 年代开始了研究,但 SST 在开发过程中面临的一系列困难意味着只有三个国家最终建造并飞行了此类飞机:英国、法国和苏联。

西雅图飞行博物馆的助理策展人约翰·利特(John Little)说:“唯一有兴趣、有技术和有资金设计和建造 SST 的欧洲国家是法国和英国。”“他们都想开发 SST,但两国都无法单独承担。因此,法国和英国有些不情愿地同意结成伙伴关系,共同开发 SST。”

另一方面,苏联能够独立开发其图波列夫 Tu-144,尽管该飞机只进行了 55 次载客飞行,随后由于高故障率而取消了该项目。(例如,在 1973 年的巴黎航展上发生了一起备受瞩目的坠机事故。)协和式飞机是迄今为止更优越的飞机,近三十年来每天都有航班。

高飞(与高消费)

为了实现 SST 的可能性,来自英国飞机公司、法国宇航公司以及其他负责飞机部分(如罗尔斯·罗伊斯公司设计发动机)的承包公司的协和式飞机工程师必须开发新技术或改进旧技术,从驾驶舱的电传操纵系统(电子界面与模拟界面相对)到耐高温轮胎再到优雅的三角翼。“在我看来,协和式飞机最创新的技术是能够以马赫 2,即两倍音速的速度巡航,”利特说。“在短暂的超音速飞行几分钟后,大多数军用飞机就会耗尽燃料。相比之下,协和式飞机可以以两倍音速巡航三个多小时。”

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现在展示的一架协和式飞机的内部。Benson Kua/Flickr

航空公司在飞机建造前几年就急于下订单——16 家公司订购了 70 多架飞机。但随着协和式飞机的开发进展,项目成本也在增加。“成本超支是惊人的,从 7000 万英镑飙升至 13 亿英镑,”航空咨询专家公司首席执行官、前飞行员罗斯·“鲁斯蒂”·艾默(Ross “Rusty” Aimer)表示(按 2018 年美元计算,约合 9100 万至 17 亿美元)。然后,协和式飞机又遇到了其他意想不到的问题——尽管其更快的行程意味着它在旅程中消耗的燃油比标准飞机少,但环保主义者抗议其高燃油消耗率(每小时约 6700 加仑,而波音 747 为每小时 3600 加仑),以及协和式飞机在高空 60,000 英尺的巡航高度产生的污染物可能对臭氧层造成的潜在损害。而对这架飞机可能是最大的打击是,由于音爆(其在 16 英里宽的轨迹中紧随飞机),航空运输监管机构禁止其在陆地上空飞行。因此,协和式飞机仅限于在水上航线飞行,考虑到其约 4500 英里的飞行里程,它几乎无法跨越大西洋,更不用说太平洋了。“原始订单从世界各地的航空公司开始像挤兑银行一样下降,”艾默指出。“英国航空和法国航空是唯一两家因政治压力和国家自豪感而被迫订购少量飞机的航空公司。”

最终,只建造了 20 架协和式飞机,包括六架原型机:只有 14 架,英国航空和法国航空各 7 架,投入了商业运营。尽管在其开发过程中饱受各种问题困扰,但该飞机被誉为世界上最美丽的飞机之一,也是最安全的飞机之一,其有限的座位和高昂的机票价格(以今天的美元计算,乘坐协和式飞机往返航班可能花费 20,000 美元以上,而 2018 年乘坐法国航空公司的亚音速飞机头等舱花费在 6,000 至 10,000 美元之间)创造了巨大的需求。一群庞大的航空爱好者和像名流政客这样的知名乘客迅速增长,机票销售额飙升。

乘坐协和式飞机是一种奢华的体验,相当于乘坐当今航空公司的头等舱。尽管客舱以其狭窄和嘈杂而闻名,但这从未影响乘客享受旅程:他们啜饮着玻璃杯中的香槟,享用由服务员而非推车送上的三道菜晚餐,并在晚餐后享用饮品。1999 年至 2003 年协和式飞机退役期间担任乘务长的法国航空公司首席乘务员阿兰·韦苏埃雷(Alain Verschuere)说:“我们接受了高效而优雅的培训。”“法国航空在这方面享有盛誉。服务非常好,我们的制服和飞机上的装饰也很漂亮。我们非常自豪能在这架飞机上飞行。即使现在,15 年后,我航班上的乘客总是对我说:‘您真幸运能乘坐协和式飞机!’”

但天下没有不散的筵席。从协和式飞机首次载客飞行(1976 年)到最后一次飞行(2003 年),这架飞机经历了许多艰难时刻——这还不包括其开发阶段的经济和噪音问题。

轰轰烈烈地到来,悄无声息地离去

利特说:“当协和式飞机于 20 世纪 50 年代末构思,60 年代中期设计时,石油价格便宜,航空燃油每加仑只需几美分,而且没有人预见到价格会上涨。然后是 1973-1974 年的石油危机,这导致石油价格以及所有衍生物(包括航空燃油)飙升。”“每加仑即使增加一美分也可能意味着航班盈利或亏损的差异,而没有哪架飞机比协和式飞机更容易受到航空燃油价格波动的影响,它在跨越大西洋时每位乘客要消耗约 2000 磅燃料。”

利特补充说:“更糟糕的是,随着全球商务旅行转向亚洲,协和式飞机的竞争力下降。由于它不能在陆地上空超音速飞行,因此无法从巴黎或伦敦向东飞往亚洲,也无法向西飞,因为它没有飞越太平洋的航程。”“因此,讽刺的是,在超音速飞行在经济上最合理的远程市场,协和式飞机却无法企及。”

除了市场问题,还有任何飞机都会遇到的主要问题——时间。机队逐渐老化,维护成本极高。到 20 世纪 90 年代末,考虑到燃油和维护成本以及航线限制,该飞机的命运已经注定。然后是最后一击:2000 年 7 月 25 日,法航 4590 号航班,一架飞往纽约的协和式飞机在起飞几分钟后坠毁,造成机上所有人员和地面数人死亡。“仅一年后,机队被授权重新飞行,因为我们开发了新技术,解决了导致坠机的弱点,”空客公司遗产部门总监雅克·罗卡(Jacques Rocca)说,空客公司维护着已故的法国宇航公司的绝大部分资产。“但由于同一年发生的 9/11 恐怖袭击事件,当协和式飞机恢复服务时,要求乘坐协和式飞机的人数减少了。”

协和式飞机的回归很短暂——该飞机于 2003 年逐渐退出服务,最后一次飞行发生在 10 月 24 日,结束了这一航空史上最传奇的飞机之一的有限运行。“基本上,协和式飞机更多地是关于技术实力,而不是经济现实,”艾默说。

第二次机会

没有 SST 来取代老化的协和式飞机,因此自那时以来,航空旅客一直在以亚音速飞行。但在 15 年后的今天,世界比以往任何时候都更加互联,对更快的飞机有着巨大的需求。“随着亚洲在世界经济中变得越来越重要,商务旅客需要一种方法能够快速地从欧洲和美洲前往亚洲,”利特说。“第一家开发出能够将纽约和北京之间飞行时间缩短到比如三个小时的低温速客机(hypersonic airliner,即速度达到马赫 5 或更高)的飞机制造商,将能卖出很多飞机。”

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QueSST 喷气机,洛克希德·马丁臭鼬工厂/NASA 的渲染图

如今,许多公司正在研究如何解决协和式飞机在商用客机和公务机方面的不足。“从工程角度来看,最大的挑战将是降低燃油消耗,减少排放,并降低或消除音爆——所有这些都将非常昂贵,”利特说。“为了降低燃油消耗和排放,最好的选择是开发不需要燃烧石油基燃料的发动机。然而,任何制造商承担这一选择都将有风险,而且不保证成功。”

NASA 目前正与洛克希德·马丁公司合作开发一款实验性飞机 X-59 QueSST,该飞机将把超音速爆裂声降低到轻微的“砰”声。“这与使用的具体材料、对螺钉、螺栓或接缝的关注程度无关。设计最重要的方面是它的形状——外模线和与空气接触的部分,”洛克希德·马丁臭鼬工厂的项目传播和媒体关系专家埃里卡·蒂尔尼(Erica Tierney)解释道。“X-59 的长而尖的机头、后掠翼和鸭翼的形状确保了在超音速(高于马赫 1)时产生的各个压力波不会汇聚成传统的音爆。”

该飞机目前正在开发中,交付日期为 2021 年。一旦洛克希德·马丁公司将完整的飞机交给 NASA,该机构将驾驶 X-59 飞越美国城市,研究“砰”声对普通民众的影响。

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一张描绘 QueSST 飞机在日落时分戏剧性地沐浴在阳光下的渲染图 洛克希德·马丁臭鼬工厂/NASA

NASA 商用超音速技术项目经理彼得·科恩(Peter Coen)说:“在飞行测试期间,NASA 将招募社区成员参与每日调查,以了解他们对安静超音速飞越的声音的反应。”“飞行测试的数据将提供给美国和国际监管机构,供他们在考虑允许超音速飞机在陆地上空飞行的新法规时使用。”

如果联邦航空管理局(FAA)取消对更安静的 SST 在美国陆地上空进行超音速旅行的禁令,飞机制造商就可以利用类似的技术开发新的超音速飞机。

蒂尔尼说:“X-59 将是飞机和交通运输行业的突破。”“它将能够创造一个全新的全球航空航天市场,让世界各地的乘客能够以今天一半的时间到达任何地方。”

但是,SST 的回归会是面向所有类型乘客的更广泛的商业领域吗?也许不会——专家们认为超音速旅行可能会走向私人飞机,也就是公务机的方向。“公务机市场正在迅速发展,”埃默里-瑞德尔大学航空航天工程学教授兼工程学院行业关系与推广副院长詹姆斯·拉迪西奇博士(Dr. James Ladesic)说。“SST 被认为具有可以发挥作用的细分市场,因为公务机通常乘客数量较少,并且在市场上的价格价值很高。”

《协和式飞机最后的日子:4590 号航班的坠毁与超音速客运旅行的终结》一书的作者萨姆·奇特姆(Samme Chittum)也认为未来在于公务机。“所有当前的空气动力学研究表明,任何更安静的‘无声’飞机的机身都必须具有较小的长度与宽度比,很像箭——不需要宽体飞机,”她说。“这种狭窄的配置不利于搭载大量乘客以降低每加仑燃油每乘客英里的成本。如果商用超音速飞机真的到来,它们很可能会是为超级富豪提供的小型公务机,而不是为我们其他人提供的巴士交通。”

然而,NASA 希望看到不同的结果。“我们对未来超音速飞行的设想是,像协和式飞机那样的旅行速度优势能够广泛地提供给公众,”科恩说。如果 X-59 成功地降低了音爆,我们很快就能以超音速飞行了。

 

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