主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫

由于超音速客机研制耗费巨大，英法在政府资助下研制协和，苏联就更不用说了，当然是政府出资，于是美国也破天荒，像研制军用飞机一样，厂家竟标，国会拨款，研制美国的超音速客机。不过美国国会并没有爽爽气气地出于“爱国主义”而拨款。FAA的头儿Najeeb Halaby（阿拉伯裔美国人，离开FAA后接Juan Trippe的位置，担任泛美的总裁）游说航空公司，动员他们预先为每架订货付10万美元的定金，FAA将这些定金收集起来交给入选的超音速客机厂家做研制经费，FAA同时到国会游说更多的投资，入选厂家以后按出售飞机的分成偿还国家的投资。道格拉斯和北美没有进入竟标资格，竟标在洛克希德L-2000和波音2707-300之间进行。竟标结果，波音2707-300胜出，大概有一点波音2707-300的外形更独特、没有“和协和式一样”之嫌的因素，据说也和洛克希德已经赢得了C-5的合同有关。

FAA在主持超音速客机的研制的同时，还在通用电气和普拉特·惠特尼之间竞选适用的发动机。通用电气的GE4涡喷发动机从B-70超音速轰炸机的J93发动机发展而来，普惠的JTF17涡扇发动机落选。

波音2707-200上巨大的通用电气GE4涡喷发动机，推力达到311kN

但是天下没有免费的午餐。变后掠翼应该尽量缩小固定段，加大可动段，以强化变后掠翼的效果。但是为了容许可动的外翼达到大后掠，转轴必须向外移动，否则外翼的“翼根”在大后掠时就要切入机身了。主起落架的布置也要求固定段向外延伸 ，以保证起落架有足够的横向稳定性。外延的固定段的厚度一方面增加阻力，另一方面使机翼的厚度不均匀，连接部在气动上的不连续也大大影响了机翼的气动效率。更要命的是，为了容纳可变后掠角的机翼，固定段内大量体积不能用来装载燃油，可动的外翼也不适宜装载太多的燃油，这样只能加长、加宽机身来装载燃油，结构上的空间利用率相当糟糕。这还没有考虑变后掠翼固有的机械复杂性和可靠性问题，以及本身的重量代价。超重问题还没有到此为止。由于机身极长（达97米，大大超过了波音747的71米），发动机在机尾，在很大一个速度范围内，还是需要用配平力矩来保持平衡，所以增加了鸭式前翼。但这样一来要求增加超长的机体的刚性，好在空中不至于像面条一样扭来扭去。机翼和尾翼也有同样的结构刚性增强的问题。结构加强就意味着额外的重量，到68年，FAA的项目评估伤心地写道：“波音2707-200的航程可以空载飞越大西洋，或者满载飞到大西洋的中间”。这显然是远远不符合要求的。没有办法，波音被迫再重起炉灶，推出了较常规的波音2707-300方案。-300方案放弃了变后掠翼，改用常规的三角翼，但保留平尾，从某种意义上讲，有点像一架大大放大的歼-8。4台发动机也搬家到常规的机翼下。

TWA涂装的波音2707-300超音速客机想象图

60年代是美国人最牛气的时候，阿波罗宇航员把美国国旗插到月亮上去了，涂着大大的美国国旗的超音速客机在世界的上空耀武扬威是很合美国口味的事

波音2707-300的全尺寸木质模型，只有左半。10亿美元的投资，最后只有这么一件看得见、摸得着的东西。计划下马后，模型以9万美元的价格卖出去，大概卖的是木头的价。今天只有机头还保存在博物馆

几种超音速客机的大小对比：从上到下：波音2707-300、洛克希德L-2000、协和式、图-144

尽管波音2707和波音747的工程开发是在同期进行，但747是“自费”项目，2707是“公费”项目，自然成为波音的头号重点。68年波音2707-300进入了原型研制阶段，向公众展示了全尺寸模型，计划与70年首飞；生产型预计69年开始制造，72年首飞。但这个时候，风水变了。

60年代是一个动荡的年代。美国在越南陷入了深深的泥潭，在政治和经济上第一次尝到虚弱的味道。美国国内的民权和自由化运动风起云涌，公众对保护自身利益和保护环境的意识空前高涨，超音速客机的音爆、污染和对臭氧层的破坏，激起了公众对超音速客机的强烈反对。

如前所述，超音速飞行时，引起N形波，N形波的前锋和后缘的空气密度急剧增高，传到人耳里，就是强烈的爆炸一样的声音，一般称为音爆（sonic boom）。事实上，炸药爆炸的巨大响声就是突然和急剧地压缩空气的结果。N形的激波像两把撑在飞机一前一后的伞一样，向地面延伸，所以音爆总是“砰砰”地接连两声。飞机越大，速度越快，音爆越强烈。音爆现象早就为人们所熟知，但研制超音速客机之初，人们错误地认为，只要飞得足够高，音爆应该不成问题。在试飞3倍音速的B-70轰炸机时，这个观点被粉碎了，在两万米高度飞行的B-70仍然能够产生强烈的音爆。更加严重的是，客机的噪声污染将不再局限在机场周围，而是泛滥到所有航迹所及的地方，同时将不分昼夜。为了测试超音速客机频繁飞行产生的音爆对城市居民的影响，FAA和美国空军在1964年在俄克拉荷马市（Oklahoma City）进行了为期6个月的音爆试验，每天由空军的超音速飞机（主要是F-104和B-58，偶尔也有F-101和F-106）飞越城市，产生8次音爆，音爆强度远远不到震碎玻璃的程度，以测定对居民生活的影响。由于市民事先得到通知，知道音爆的准确时间，所以开始时市民并没有太在意，有些施工工地的工人甚至一听到音爆，就知道喝咖啡休息的时间到了。但是没有多久，玻璃开始震碎，墙壁开始开裂，市民们开始愤怒，而FAA充耳不闻，对市民的赔偿要求不理不睬，进一步加剧了市民的愤怒，很快发展成政治事件，抗议、投诉、索赔像雪片一样飞进各级政府和主持试验的FAA，以后发展成市民对政府的官司（class action law suit，中文叫什么？）。俄克拉荷马市的音爆试验在很大程度上促成了对超音速飞行的极端负面的公众舆论，为日后在大陆上空禁止民航超音速飞行种下了种子。

美国海军“蓝天使”飞行表演队的一架F-18在水面上超低空超音速飞行，激波在水面留下一条航迹，这要是地面，单薄一点的房子都可能被震倒

除了音爆外，超音速客机的涡喷发动机是为超音速巡航而优化的，迎风截面小，喷气速度高，起飞、着陆时还要打开加力，这样在起飞、着陆时的噪音异常尖利、响亮，造成很大的噪声污染问题。高空飞行对臭氧层的破坏是有案可查的，只不过军用超音速飞机一般还是以亚音速巡航，但大量的民航超音速飞行对臭氧层的影响，引起公众极大的疑虑，毕竟热爱在太阳下“烤肉”的人们不希望增加患皮肤癌的可能。虽然后来被证明为夸大其词，亚利桑那大学的科学家在国会作证，500架超音速客机在美国上空夜以继日地穿梭飞行，将每年增加1万名皮肤癌患者。限于发动机技术，超音速客机的发动机在低速时的推进效率较差，燃烧也不好，协和式起飞时遮天蔽日的黑烟，引起对环境污染日益敏感的公众极大的不满。

看看这黑烟，已经飞起来了，还是那么厉害。这还是客气的，看看下一张

这个怎么样？环保组织不砸上门来才怪

公众的反对只是问题的一半。为了最大限度地减小超音速巡航阻力，超音速客机的机舱截面尺寸都是尽可能小，这样一来，机舱十分局促，不利于增加载客量。超音速客机需要异常长的跑道，不仅限制了可以起降的机场，也增加了航空公司的运营成本，机场当局是不会让你免费使用额外资源的。由于波音747和其他宽体客机的出现，亚音速客机的载客量大大超过超音速客机，而单位燃料又大大降低，协和式的人-公里油耗达到3.5倍于波音747，使本来对超音速客机有利的经济算盘全颠倒了过来。更要命的是，第一代超音速客机的航程很尴尬，用作跨越大西洋的飞行足够了，但是跨越太平洋还不够。旧金山到东京的航线必须在夏威夷或中途岛停一下，加油再飞。这样一来，不需要中途加油的高亚音速的波音747反而可以先抵达东京，747宽大的机舱还为旅客提供了舒适得多的环境。而这时正好是超音速客机十月怀胎的关键时刻。

作为新兴的超级大国，美国已经在第一代喷气客机之战中夺取了领导权，波音707和DC-8像潮水一样灌向世界的民航市场，自然不会坐视欧洲和苏联在有关国家声望的超音速客机之战中领先。波音在52年就开始关注超音速客机的问题，58年组织起研究小组，60年开始，每年投入1百万美元，准备大干快上了。62年英法和苏联都开始正式研制超音速客机时，美国联邦航空署FAA也提出了自己的超音速客机计划。敢为人先的Juan Trippe指令泛美航空公司在63年6月3日向英法意向性订货协和式一天之后，肯尼迪在63年6月4日，在科罗拉多泉新建的空军学院毕业典礼上，指令启动美国的超音速客机计划。拟议中的美国的超音速客机要更大、更快，要求达到250-300人的载客量和三倍音速的速度，航程不光要能够覆盖北大西洋航线，还要能够覆盖太平洋航线。NASA对超音速客机积极研究，波音、洛克希德、道格拉斯和北美洛克韦尔都推出了自己的研制方案，通用电气和普拉特·惠特尼也分别提出了各自的发动机方案。

NASA测试过的几种超音速客机模型

北美洛克韦尔基于B-70轰炸机的经验，研制了这个超音速客机的方案

洛克希德的L-2000方案介于协和式和图-144之间，只是比两者都要大一号。L-2000采用双三角翼，翼下四台发动机，布局循规蹈矩，不过因为“美英一家”的缘故，没有人指责洛克希德抄袭英法。道格拉斯的方案和洛克希德的方案大同小异

洛克希德的L-2000模型

洛克希德L-2000三视图

洛克希德研究过变后掠翼和固定的大三角翼方案

洛克希德最后采用简单的双三角翼布局

L-2000的双三角翼延伸到接近机头的地方

L-2000的后期方案机翼后缘还略带前掠

洛克希德想像的机场的情景，比同在登机楼的波音707一级的亚音速客机长了几乎50%

L-2000也进入了全尺寸模型阶段

洛克希德的公关没有闲着，将全尺寸模型当模特表演台了，值得注意的是L-2000的机窗，比饭碗大不了多少

波音开始时的方案也研究过无尾大后掠三角翼，但是在竞争TFX（最后通用动力胜出，推出F-111）时，波音积累了相当的变后掠翼的设计经验，引起波音超音速客机研制人员的强烈兴趣，在波音内部的竞争中，变后掠翼胜出，公司代号波音733。但是洛克希德和道格拉斯都用2000作为代号，分别为L-2000和DC-2000，意喻21世纪的超先进技术，波音也不甘落后，最后将波音733改名为波音2707，既有21世纪的含义，又提醒人们波音707将民航推入了喷气时代。波音2707的方案几经变更，从波音2707-100演变到-200，载客从150逐渐增加到250，最后达到300人以上，发动机从机身下集中的四发（类似B-1轰炸机）变到平尾下的四发，速度从M3降到M2.7，航程6440公里（-300增加到6760公里）。波音2707-200的变后掠翼可以在20-72度后掠角之间变化，在不牺牲超音速巡航性能的前提下，优化低速起飞、着陆和亚音速巡航的性能。后一点十分重要，因为波音已经意识到噪声和音爆的问题，小后掠角可以以较低的速度起飞、着陆，大大减低噪声；音爆将使超音速客机在大陆上空被迫以亚音速飞行，所以亚音速将不仅仅是过渡阶段，可能有相当一部分航线将以亚音速飞行。在机翼后略到最大角度时，机翼后缘和平尾前缘重叠，形成完整的大后掠三角翼，在保持“合成”机翼的相对厚度条件下，容许机翼厚度增加，简化结构设计和增加翼内载油量，这一点和F-14非常相似。和F-14不同的是，波音2707-200的四台发动机安装在尾翼下，这是一个十分独特的设计。发动机安装在机尾并不罕见。飞机速度增高时，气动升力中心不断后移，而重心保持不变，自然形成一个低头趋势，需要压平尾来恢复水平，这个动作称为配平。压平尾形成的向下气动压力增加了阻力，称为配平阻力。机尾发动机的重量形成自然的配平力矩，减少配平阻力，这是为什么60年代尾置发动机布局十分流行的重要原因。尾置发动机的另一个好处是，发动机远离机舱，噪音较低。尾置发动机在机械故障、涡轮盘碎裂时，碎片不易伤及乘客，对安全性要求及其严格的客机也是一个有利因素。但是尾置发动机一般离地较高，维修不便。波音将发动机安装在水平尾翼下，既利用了尾置发动机的优点，又避免了维修不便的问题，是一个不错的主意。对于波音2707-200这样的变后掠翼飞机来说，固定的尾翼下的发动机还避免了常规的翼下发动机的麻烦，因为机翼后略角变化时，翼下发动机必须同步偏转，以保持和前进方向一致。B-1轰炸机那样在翼根下密集安装发动机的做法对客机不合适，发动机的噪音和振动离机舱太近，这也是波音2707-100演变为-200的一个重要原因。

波音的超音速客机方案一直在改来改去，这是几个早期方案

变后掠翼的波音2707-100，发动机像B-1轰炸机一样在靠近机身的下面

变后掠翼的波音2707-200，发动机移到平尾下去了

波音2707-200的全尺寸模型

波音2707-200的尺寸很大，座位将为横列7座，采用2+3+2布局，有两条走廊

波音2707-200的三视图

波音2707-200的布局也几经变化，这时加上了鸭翼，以改进气动控制

为了满足面积律的要求，机身有一定的“蜂腰”，所以座位布置前后不同

为了改善起落时的视界，波音2707-200的机头锥可以分两截下垂，这样既容许下垂角度增加，又不至于触地，但是机械复杂程度大大提高，样子也是怪怪的

看看这幅尊容，选美比赛可能是上不了榜了

泛美涂装的波音2702-200

别一看美国空军的标志，就以为这是运送美国小兵的，没那么好的事。60年代末的时候，正好“空军一号”要更换的时候，当时动过念头，用波音2707来接替波音707的“空军一号”

由于机身太长，变后掠翼的气动特性变化太大，需要很多的控制面开控制飞行，L-2000只有16个气动控制面需要控制，波音2707-200竟然有59个！既增加了重量，也是飞行控制大大复杂化