系列文章：比声音还快——漫谈超音速客机

波导阻力在音速达到最高

超音速飞行时，激波后的空气压力和温度急剧下降，导致水汽冷凝，形成雾化现象

风洞里 F-14 的激波图像

NASA 的 T-38 在空气中飞行时形成激波的照片

音速是随高度变化的，更具体地说，是随空气温度而变化

音速和高度的关系显然不是一路上升或一路下降，而是有升有降，也有不升不降的时候

超音速飞行会引起强烈的涡流

　　音速显然是一道坎，跨过去了，超音速阻力反而下降。为了减小跨音速激波的影响，NASA 物理学家 Richard Whitcombe 于 55 年提出跨音速面积率，也就是飞行器在跨音速飞行时，前缘和后缘的激波不可避免，但如果飞行器沿前进轴线上的截面积急剧改变，将产生额外的激波，增加阻力。为了避免这额外的阻力，飞行器沿前进轴线的截面积应该均匀改变（或者说截面积沿前进轴线的二阶导数或曲率应该恒定），而截面的形状倒是无关紧要，这就是著名的跨音速面积率，也是超音速飞机“蜂腰”的来源。

Whitcomb 在 NASA（当时还叫 NACA）的 8 英尺告诉风洞检查用面积律设计的一个飞机模型

Whitcomb 在上课，讲解面积律

左为不用面积律设计的气动外形，右为利用面积律设计的气动外形，注意其特征性的“蜂腰”

YF-102 战斗机在用面积律修行之前（左）和之后（右）

具有明显“蜂腰”的幻影 III 战斗机

具有明显“蜂腰”的歼-8II 战斗机

高亚音速客机的速度虽然没有超过音速，但已经进入了跨音速区的下端。波音 747 机头的“驼背”增加了前机身的截面积，也起到了面积律的作用，是波音 747 可以比一般高亚音速客机飞的更快的一个原因

A380 和其他现代高压音速客机的中机身和机翼连接处明显的鼓包也是面积律的结果

　　英国的皇家飞机研究中心（Royal Aircraft Establishment）从 54 年就开始研究超音速客机的问题，以当时流行的细长机身、短薄的平直翼为基础，以重要的英美之间的北大西洋航线为背景，进行了一些概念设计。但是概念设计的结果很不妙：136 吨的起飞重量已经和波音 707 相当了，但是载客量只有区区 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波音和道格拉斯占去了，为了重建英国民航客机的竞争力，RAE 出面于 56 年设立了超音速运输机研究委员会（Supersonic Transport Aircraft Commission，STAC），开始研究超音速客机的可行性，研究集中在超音速客机的技术问题和经济性问题。

　　速度超过 M1.5 后阻力随速度上升的速率下降，这是一个有利条件。如果速度增加一倍，阻力只增加 50%，那相当于在同样载客量的条件下，M1.6 的超音速客机可以用 M0.8 的亚音速客机跑三个航次的燃油，来跑四个航次。但是天下没有这样的好事，机翼的升力系数在超音速的时候下降很厉害，M2.0 的时候大概只有 M1.0 的一半。这样一来，得失大抵相抵。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，超音速客机只有在相当的载客量的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 2.2 倍音速为宜。速度更低将难以保证在伦敦和纽约之间当天来回，大大减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。在超音速战斗机 10 年后才勉强达到 6,000-8,000 小时使用寿命的情况下，60 年代初超音速客机的使用寿命已经要求超过 30,000 小时，技术上的未知数越少越好。英国动起来了，美苏当然也不闲着。为了在新一轮民航客机的“世界大战”中抢到先机，欧洲和美苏都展开了超音速客机的研制，“为国争光”当然也是各国倾力研制超音速客机的重要因素。

在走向协和式之前，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。英国的 Fairey Delta 是第一个采用无尾三角翼布局的喷气式研究机，这是 Fairey Delta FD2。按英国人的说法，法国的幻影战斗机也是“偷”Fairey Delta 的

英国 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

英国布里斯托尔 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

英国 BAC221 研究机，着重研究 S 形前缘无尾三角翼的气动特性

英国“火神”轰炸机，用来试验协和式的“奥林普斯”发动机

协和式机体表面的温度分布，热胀冷缩对材料和结构是很大的挑战

　　STAC 同时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的问题，各国得出和 STAC 大体相同的结论。

美国康维尔曾提议用 B-58 轰炸机改装超音速客机，但 B-58 的机身太窄，单走廊横列双座塞沙丁鱼一样也只能装载 58 名乘客，最后不了了之。但是 B-58 的跨大西洋超音速飞行的经验对超音速客机的研制有很大的作用

美国曾用 F-102 作过超音速客机的研究

法国的 Nord Griffon 也曾用于超音速客机的研究