[科普中国]-超音速飞机

音速是指声音在空气中传播的速度。高度不同，音速也就不同。在海平面，音速约为1224公里/小时。在航空上，通常用M(即马赫)来表示音速，M=1即为音速的1倍；M=2即为音速的2倍。当飞机飞行速度接近音速时，周围的流动态会发生变化，出现激波或其它效应，会使机身抖动、失控，甚至空中解体，并且还可产生极大的阻力，使难以突破M=1的速度。人们把这种现象称之为音障。

在第二次世界大战期间，一些活塞式战斗机在加速俯冲速度达到M=0.9时，就曾强烈感受到了音障，并有的飞机因此而失事。当喷气式飞机出现后，使飞机速度有可能大幅度提高时，能否突破音障就成为航空界注视的一大焦点。英国首先开始对超音速飞机进行研究。迈尔斯公司受官方委托于1943年研制M。52型喷气式飞机，目标是速度达到M=1.6。但由于当时有人在驾驶其它飞机接近音速时失事遇难，官方认为载人的超音速飞行太危险，后来终止了这一计划。美国于1944年开始了同样研究，它采用以火箭发动机为动力。贝尔公司于1945年制造出 X—1火箭实验机，X—1的机翼很薄，平直翼型。它需由一架B—29型重型轰炸机挂在机身下带到空中，然后在空中点火，脱离轰炸机单独飞行。1947年 10月14日，空军上尉查尔斯·耶格驾驶X—1在12800米的高空飞行速度达到1278公里/小时，M=1.1015，人类首次突破了音障。1953 年，试飞员道格拉斯驾驶着 “流星烟火”号飞机，在喷气发动机和火箭的双重推力下，首次以音速2倍以上的速度飞行。这说明，只要突破M=1，就不会再有音障存在。人们通过研究发现，采用向后倾斜的机翼可以延缓或消除音障现象的出现，并减少飞行的阻力，有利于提高飞行速度，所以后来的亚音速和超音速飞机大都采用有向后倾斜角度的后掠翼、三角翼或梯形机翼。最早具有后掠翼的实用飞机是40年代后期诞生的美国F—86和苏联米格—15战斗机。而第一种实用的超音速飞机是美国于1949年研制成功的F—100战斗机。

20世纪50年代末，波音707、DC-8、“快帆”等喷气式客机趋于成熟后，飞机制造公司和设计师又把注意力放到超音速客机身上。如果民航客机能够实现超音速飞行，将使飞机速度提高两倍以上，大大缩短长途飞行的时间。但是超音速客机的命运并不像亚音速客机那样一帆风顺。经过了近二十年的努力，目前只有两种超音速客机在航线上使用。这就是英法联合研制的协和号和前苏联的图-144客机。

前苏联的超音速客机晚于法国的协和号，但首次试飞却早于协和式。60年代初，当前苏联得悉美国、西欧准备研制超音速客机后，仓促上马研制超音速客机。由图波列夫设计局研制的图-144在外形上与协和号非常相近，特别是当前苏联驻英使馆人员曾因窃取协和资料被大批驱逐的消息披露后，因此航空界普遍怀疑图-144是抄袭协和号的，并戏称其为“协和斯基”。　图-144与协和式一样采用下单翼结构，狭长的三角翼，无平尾，可下垂的机头。四台发动机也分别下挂在机翼下侧。图-144的巡航速度为2.35马赫，最大航程6500千米，载客140人。这些指标优于英法联合研制的协和式。图-144的设计方案于1965年9月在前苏联公开展出。1968年12月31日，第一架原型机制成并进行了试飞，创下了一项世界第一的纪录。经过大约3年的试飞，图-144进行了重大的改动，并于1973年投入批生产。估计图-144共生产了30架。

1973年6月3日，图-144在参加巴黎国际航空展览时，突然坠毁，机上人员全部遇难。根据当时的报道，参展的图-144已经试飞过100余次，飞行时间约300小时。在此次航展上，该机共进行了两次飞行表演，且都是在协和号表演之后进行的。6月2日进行的第一次表演是专门为专业人员举行的，6月3日的则是为35万观众进行的公开表演。

在表演中，图-144曾三次穿场而过，引来观众席上阵阵掌声。在最后一次穿场飞行时，按计划应表演低空、低速飞行，飞行高度在100米左右。此时飞机放下了起落架，垂下机头整流罩，并放下前置操纵面，像一只大鸟掠过机场，然后开始爬升。当飞机爬升到1500米时，突然机头低下来，机腹左侧出现闪光。在场观看的一些有经验的驾驶员惊呼道：“飞机出事了！”当飞机的俯冲角拉平到45°角时，左翼断裂。飞机翻了个身，随后整个飞机在空中肢解开来。飞机主体坠落在距机场几千米外的村庄里，砸死了几个人，毁坏了15家农宅，6名机上人员全部死亡。

图-144的坠毁是超音速客机第一次发生的重大事故。这一事件使前苏联推迟了该机交付民航使用的时间表。直到1976年12月，图-144才开始在国内航线上使用，主要是用来进行货运和邮运。1977年11月，图-144在莫斯科到阿拉木图的航线上定期运载旅客。大约在百余次飞行之后，又因发生事故而暂停了飞行。1979年前苏联生产出图-144的改进型图-144D，采用涡轮风扇发动机。它在经济性、噪音等方面都有很大改进，在1981年投入航线使用。但后来因苏联民航当局认为运行收益不大，没有继续发展使用。

强大推力的产生

音速：音速约为每秒钟340米。马赫：超高速单位，物体运动的速度与音速的比值为马赫或马赫数。亚音速：速度小于1马赫。超音速：速度在1至5马赫间。高超音速：速度在5马赫以上。1

高超音速飞机采用的是超音速燃烧冲压发动机，它类属于冲压发动机。冲压发动机的原理由法国人雷恩洛兰于1913年提出。冲压发动机由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成，它比涡轮喷气发动机简单得多。冲压是利用迎面气流进入发动机后减速、提高静压的过程。该过程不需要高速旋转的、复杂的压气机。高速气流经扩张减速，气压和温度升高后，进入燃烧室与燃油混合燃烧，温度为2000—2200℃，甚至更高，经膨胀加速，由喷口高速排出，产生推力。

冲压喷气发动机目前分为亚音速、超音速、超音速燃烧（或高超音速）三类。亚音速冲压发动机以航空煤油为燃料，采用扩散形进气道和收敛形喷管，飞行时增压比不超过1.89。速度在小于0.5马赫时一般无法工作。超音速冲压发动机采用超音速进气道，燃烧室入口为亚音速气流，采用收敛形或收敛扩散形喷管。用航空煤油或烃类作为燃料。推进速度为2至5马赫，可用于超音速靶机和地对空导弹。超音速燃烧（高超音速）发动机是一种使用碳氢燃料或液氢燃料新颖的发动机，空气在发动机内的流速始终保持为超音速，飞行速度高达5至16马赫。

与喷气机的区别

今天喷气式飞机使用的最普通的喷气发动机是涡扇喷气发动机。带有外涵道的喷气发动机的早期设计出现在20世纪30年代。40和50年代，人们对早期的涡扇发动机进行了试验。然而，由于对风扇叶片设计制造的要求非常高，因此直到60年代，人们才得以制造出符合涡扇发动机要求的风扇叶片，从而揭开了涡扇发动机实用化的阶段。涡扇喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，发动机利用气压机先对进入发动机的空气进行压缩，压缩的空气和燃料混合并被点燃，随后气体爆炸推动飞机前进，后面的涡扇和前面的压缩机处在同一根轴上。

超音速燃烧发动机同涡扇喷气发动机存在不同。其实，它也有别于火箭发动机。虽然，多级火箭的速度极高，可达20多马赫，但是它携带着全部的燃料，因而在相同体积的情况下，其有效负载低于安装有超音速燃烧冲压发动机的飞行器。

赋有“空中骄子”之称的协和超音速飞机，6月14日在法国巴黎国际航展上吻别了蓝天。有报道说，这架协和超音速飞机将被送到遥远的美国。许许多多协和的爱好者们挥泪与之告别。这是自年4月10日法英两国航空公司同时做出停飞决定后，协和再次让人伤心落泪。

协和是人类首架超音速客机，它翱翔在蓝天与白云之间，如梦如幻。可惜，如此靓丽的协和就要走进历史了，这是为何呢？

在冷战时期，以美苏为首的西方大国角逐太空。

在庞大的空间探索计划中，打造超音速飞机项目占据显着位置，其作用是在短时间内能从某地迅速安全地撤离。参加这项“竞技”不仅有美国和前苏联，还有英国和法国。1956年英国和法国开始分别研发超音速客机；1961年两国开始协调开发事宜；1963年1月，法国总理戴高乐在一次演说中曾用“协和” (CONCORDE)这个词来表述法、英两国所从事合作，于是超音速飞机就有了“协和”这个名字。1968年12月底，苏联成功打造出超音速飞机图- 144并试飞成功。此机种从1977年开始在苏联民航投入使用，但是由于性能很糟糕并发生两次重大事故，于第二年夭折。在苏联图-144试飞两个月后， 1969年3月，法国和英国飞机制造厂紧锣密鼓开发出“协和”并在法国图卢兹上空试飞成功。1976年1月，协和飞机投入商业运营。

协和奇特的外形是它引人注目的亮点：它不像普通客机那样使用后掠翼，而是使用三角翼；细长的机身旨在把飞行产生的阻力减到最小，纵向设计的油箱系统飞机更能很好地适合高速飞行。为了避免细长的机头在起降时挡住飞行员的视线，在设计时专家让“协和”头部下垂，这使其在空中的飞行姿态犹如鲲鹏展翅。

飞机总重为180吨。协和翼展25.5米，机长61.7米，高11.3米，客舱宽2.9米，它可载客100名，一次可加注95.6吨燃油，每小时要消耗掉 20.5吨。它装有的4台“奥林巴斯593”型发动机，可使它爬升到距地面15000———18000米的高空，以每小时约2180公里的速度巡航(两马赫)，不间断飞行距离为6230公里。

协和飞机的创意旨在打破时速限制，成倍缩短旅行时间。以伦敦到纽约7100公里的飞行距离为例，波音和空中客车飞机需要6-7小时，而协和3小时就可到达，不过票价高达9000美元。

虽说协和超音速飞机是上世纪70年代的产品，但它的电子设备还是比较先进的。特别是在自动飞行方面，协和飞机完全能按照地面的程序和指令，在无飞行员操纵下自动进行起飞与降落。协和被认为是世界上最安全的客机。豪华舒适的内部设施以及两马赫的飞行速度对“惜时如金”的商业人士具有强大的吸引力，协和一度成为欧美商贾贵族出行的首选协和式飞机号称“空中骄子”，是目前世界上唯一投入商业运行的超音速民航客机。

协和飞机的诞生在国际航空界引起大反响，仅在1972年，协和飞机收到的订单总数就达80架，其中包括美、德、日等国的16家航空公司。不过，一场石油危机导致美德日航空公司相继撤单，协和遭到了冷落，从此出现生存危机。结果，买下协和客机的，仅有英国和法国两个当事国的航空公司而已。

不过，英法两国政府为航空公司提供了大量补贴。英法总共仅打造了十几架协和，此前仅有13架仍在运营，7架属于英国航空公司，6架属于法国航空公司。

协和客机超音速的特点让人垂涎三尺，但协和惊人的票价却让人不敢问津。造成协和昂贵票价的是协和的高制造成本和高油耗，这是协和自身致命的弱点，让许多航空公司敬而远之。此外，协和还有许多无法克服的毛病，如载客量小、噪音大等。在新形势下，协和渐渐地失去了市场。

上个世纪80年代，波音747等大型客机粉墨登场，成为普通百姓都能使用的旅行工具。载客百人的协和仅相当于747运力的1/4，可耗油却是747的两倍，这使得协和无法同波音同台竞争。此外，协和的噪音问题也十分棘手。协和客机在起飞之际要比起普通喷气式客机快30%的速度滑行，产生强烈噪音。再加上飞行时一路产生冲击波，曾导致不少国家禁止协和客机通过自己的领空，因此，协和客机只能在海上飞行，可飞行的路线受到极大限制。况且，协和连续飞行距离短，中途需要补充油料，如横跨太平洋就是问题，因此协和适用地域有限。连年来，协和机群的维修费用不断上涨。由于协和飞机的大量零配件现已不再批量生产，为了更换部分零件，航空公司需要投入额外的成本。另外，协和飞机的机组人员和地勤队伍老化问题严重，人员的更新与培训工作也由于资金问题而严重滞后，致使故障频发，航空公司蒙受巨大损失。

协和这个“空中骄子”生来就命运多舛。

1973年爆发第一次石油危机，飞机燃料价格猛涨3倍，外国订单几乎被全部取消。

1979年第二次石油危机爆发，协和飞机再遭重创。

1981年，从巴黎直飞华盛顿的协和航线被迫取消，其征服拉丁美洲的梦想也随之成为泡影。

“9·11”事件使世界航空业遭受重创，伊拉克战争又使民航运输业雪上加霜。在这种情况下，乘坐协和的富翁们出行明显减少，他们开始关注每分钟近40美元的协和超音速运价。

2000年7月25日，法航一架协和客机发生空难，机上114名乘客和机组人员全部遇难，这使人们对协和的畏惧大大增加。

据报道，伊拉克战争爆发后，协和的上座率顿时从约50%下滑到20%。

据统计，在近30年的商业运营中，英法两国的协和机群共运送乘客400万人左右，但这只是全球所有波音747客机几周的运量。

在国际原油价格居高不下的情况下，欧美航空界在上世纪末便将竞争目标从飞行速度转向飞机的载客量。有专家认为，航空公司今后将在综合衡量旅行时间和经济效益的基础上，选择油耗少且载客多的慢飞机。有专家认为，与其依*提高飞机飞行速度来缩短旅行时间，还不如改善连接机场的高速公路及通过简化搭乘手续来节省时间。

波音公司去年底已经放弃了“音速巡洋舰”计划，转而研究省油20%的宽体客机“7E7”。空中客车公司也在2000年底启动了A380客机研制计划，并拟在2006年将其投入商业运营。从研究经费来看，A380的预计投入是120亿美元，而协和飞机的研制曾使英法两国政府花费了340亿美元。据分析，类似于A380这样的宽体客机将在短时间内吸纳协和飞机的原有市场。因此，将旅行时间和经济效益综合衡量后，航空公司今后仍将选择“油耗少载客多的慢飞机”。

超音速飞机还不合时宜。不很好解决高成本、高油耗和高噪音问题，超音速客机就很难再重回我们的生活。

——1962年11月29日法国与英国签署协议，共同制造超音速客机

——1963年1月13日戴高乐将军建议，把这种超音速飞机命名为“协和”

——1969年3月2日“协和001”在法国的图卢兹进行首次试飞 、

——1971年5月25日“协和001”在巴黎和达喀尔之间完成了其第一次国际试飞

——1976年1月21日“协和”进行第一次商业飞行，法航的航线是巴黎—达喀尔—里约热内卢，英航的航线是伦敦—巴林

——1977年10月17日法航开辟巴黎、纽约之间每天一班的“跨大西洋航线”

——1980年10月至1982年4月两家航空公司先后在巴林、新加坡、里约热内卢、华盛顿、墨西哥等航线上取消“协和”飞机运营

——1992年10月12日一架法航的“协和”飞机以33小时零1分钟完成自东向西方向的环球飞行，并创下民用飞机此类航行的记录

——1998年10月8日一架往返于伦敦、纽约之间的英航飞机的导向系统零件脱落，但飞机安全着陆

——2000年7月25日一架法航的“协和”飞机在巴黎戴高乐机场附近坠毁，导致113人死亡，法航立即停止其所有“协和”飞机的飞行

——2000年8月4日-10日法国有关方面对飞机失事进行调查后认定，飞机轮胎发生爆炸、碎片刺破油箱是导致飞机爆炸失事的主要原因

——2000年8月15日英航停飞其所有“协和”飞机

——2001年11月7日、9日法航和英航分别开始恢复“协和”飞机的商业运营 、

——2002年11月5日一架法航的“协和”飞机从纽约飞往巴黎，在大西洋上空1台发动机突然发生故障，在其他3台发动机依然正常运转的情况下，飞机安全抵达戴高乐机场

——2003年4月10日法航和英航宣布停止“协和”飞机的商业运营

——2003年5月31日法航的“协和”飞机完成最后一班飞行(纽约-巴黎)

——2003年10月24日英航的协和飞机完成最后一班飞行(纽约—伦敦)

2009年6月，由中国自主研发的新一代超音速教练机“猎鹰03”号，在南昌首飞成功。“猎鹰03”是一种融合了多项最新航空技术的新一代超音速教练机，它具有第三代战斗机的大迎角机动飞行能力和高敏捷性，可用于飞行学员的基础改装训练或作为伴随教练机进行战术训练。

在江西省南昌市洪都集团的试飞场，由中国自主研发的目前最先进的高级教练机猎鹰03号腾空而起，在经历了16分钟的航线飞行和低空通场后，猎鹰03号稳稳地降落在跑道上，各项指标均达到设计要求。首飞完成后，试飞团队将展开多科目的拓展性飞行工作，尽早实现猎鹰03号的量产。

对于教练机来说，座在后舱较高的位置是飞行教官，而前舱是学员。这也是教练机不同于其他飞机的一个特殊的地方。

猎鹰03号最大的不同，在于它的外型。猎鹰教练机总设计师张弘介绍称，主要是采用第三代机的气动布局，大的边条翼，翼身融合，配合翼下的进气道，使得这个飞机的机动能力非常强，可以快速地改变机头指向。

一般来说，人们会用机动性这个词来衡量一架飞机性能的优劣，决定这个性能很重要的装置就是发动机，猎鹰03号有两台发动机，而且这些发动机都是靠计算机来控制的。飞行员拉油门杆的动作，出来的是电信号，通过计算机结合各种参数，向发动机发出控制指令，为飞机提供时实的充沛的动力，国内的教练机上是首次使用。

据传，美国军方正在秘密研制一种新型的飞机发动机技术，这种技术以二战时德国的V-1导弹为原型。这种采用脉动式喷气发动机的新型飞机已经在美国犹它州的上空进行了试飞。专家们作出这一判断的根据：天空中形成的一种神秘冷凝尾迹。

居住在美国犹它州瓦斯特山区的工程师辛格利亚几乎不能相信自己的眼睛：在蓝蓝的天空中突然出现了飞机飞过后的冷凝尾迹，这种尾迹并不呈直线状，而是像是用一个绳子

串起来的数个像油炸圈饼一样的圆环。辛格利亚立即跑到阁楼，抓起相机拍下了这个神秘的冷凝尾迹。他说：“这些白色圆环状的冷凝尾迹非常清楚，是刚刚形成的。”

这一天是2004年3月21日。居住在山区的辛格利亚从来没有见到这么神秘的景象。专家称，他可能目击到装备脉动式喷气发动机的绝密超音速飞机在飞行时所出现的冷凝尾迹。美国空军可能正在秘密研究这种绝密的超音速飞机，但有可能是中央情报局在研制这种飞机。

十二年前，有人曾在洛杉矶看到过这种神秘的冷凝尾迹，而且还伴随有巨大的响声，整个市区和大部分南加州地区都能听到这个巨大的响声。它的声波是如此的大以致于地震监测中心都能收到。人们还在科罗拉罗州和德克萨斯州看见到这种神秘的冷凝尾迹。专家称，这种神秘的冷凝尾迹是一种新型的发动机所留下的，这种“脉冲爆震波”发动机技术是以二战时期德国的V-1导弹为基础的，它依靠汽体混合物的爆震波来压缩燃料氧化混合物，使混合物燃烧后推动飞机加速。这样的发动机技术就会产生辛格利亚在犹他州所见到的那种一系列的圆环状的飞行冷凝尾迹。著名的美国航空专业杂志《航空周刊和宇航技术》在一篇名为“脉冲式喷气发动机又回来了？”文章中引用了辛格利亚所拍摄的照片。辛格利亚说那些研究这种先进发动机技术的人给他留下了深刻印象，他对目击到神秘的飞行冷凝尾迹的评论是：“他们的工作干得非常棒。”

目击者都称，这种脉动式喷气发动机的速度非常惊人。美国专家称，这种飞机的速度可达六倍音速。英国武器专家斯威特尼说，这种飞机的速度也许能达到八倍音速。美国宇航局所研制的X-43A在不久前就曾创造了七倍音速的最高飞行速度，不过这是在加利福尼亚海岸公开进行的，X-43A以超音速燃烧冲压式喷气发动机为推动装置，由美国东岸至西岸只需半小时的飞行时间。一架B-52型轰炸机先把配组有“飞马”助推火箭的X-43A载到7200米的高空，然后释放。接着，“飞马”助推火箭把X-43A推进到7马赫速度后脱落，X-43A再点燃自身的发动机，飞行10秒、大约27公里，然后坠入太平洋。超音速燃烧冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机工作模式相近，只是冲压喷气发动机自身没有发动部件，需要火箭的起始推力来达到超音速推力状态。

英国武器专家斯威特尼说，这种新研制的装备脉冲式喷气发动机的间谍飞机可能将取代SR-71“黑鸟”间谍飞机，目前美国有三架SR-71“黑鸟”间谍。这种新型的、超音速的间谍飞机很符合美国国防部的需求，由于间谍卫星无法对处于黑夜的地球部分地区实施侦察，这种新型侦察飞机将能弥补这一缺隙。有专家称，这种新型间谍飞机可能就是传闻中的“曙光女神”，它能以六倍的音速的速度飞行，预计将取代u-2和SR-71间谍飞机。

这种装备脉冲式喷气发动机的间谍飞机在犹他州上空现身也是有充分理由的：在邻近的内华达州的沙漠里有美国空军的一个绝密基地：“51区”51区的格鲁姆湖实验场拥有一条长达九公里的跑道，是美国最长的普通跑道的两倍，这样长的跑道非常适合装备脉动式喷气发动机的飞机的实验。

一般来说，高超音速飞行器的研究方式、方法，技术途径都不同于传统飞行器。要实现飞行器高超音速飞行，必须突破高超音速发动机技术和一体化设计技术，如飞行器机体和推进系统设计一体化、气动设计一体化、结构设计一体化等技术，以及材料与结构技术、高超音速空气动力技术、燃料高超音速推进系统、高超音速地面模拟和飞行试验技术等。

首先，即使我国已经开始了高超音速飞机技术研究，但起步和美国相比还是较晚。从报道看，这次试飞的是从跑道上自由起降的飞机。美国自20世纪50年代开始研究吸气式高超音速技术，虽进行了不懈的努力，但到目前还没有研制出可在跑道上自由起降的吸气式高超音速飞机。

其次，在发展高超音速飞机的路上，我国还有许多基础性技术需要突破，如高性能喷气发动机技术。因为如果像有些专家猜测的那样，我国这次试飞的飞机采用了“串联式涡轮冲压组合发动机”，拥有高性能喷气发动机技术将是前提。

第三，飞机移交试飞中心试飞前，一般都要在工厂进行首飞和较长时间的试飞，而这次报道中所说的飞机已是移交到试飞中心的飞机，说明该机此前已经进行过若干次试飞。如果是高超音速飞机，取得这样重大的技术突破，却长时间没有任何消息，在今天的网络时代，似乎有些不可思议。

最后，从报道中所提到的试飞中心投入的技术力量来看，也不符合高超音速飞机试飞情况。如果说，这次试飞，以某型飞机为载机，验证了我国预研的某项高超音飞机技术，还有些可信。当然，即使如此，也是非常可喜的。2