今年初,美國航空航天局(NASA)向洛克希德·馬丁公司資助2000萬美金研發商用超音速客機,這一投資也是NASA「X-planes」系列計劃之一。上一次有超音速客機進行商業飛行也已經要追溯到2003年,英法合造的「協和號」超音速客機在經歷了27年的商業運營後最終宣布停飛。對飛行速度的追求讓不少人鍾情於超音速客機的研究。然而,航空技術經過100多年的發展,民航客運飛機在速度方面經歷過的輝煌和商業的失敗使得航空公司在速度方面的選擇非常謹慎。
0-300km/h
英、法、德三國在1910-1911年間分別做過航空郵遞實驗。首次郵政飛行發生在1911年2月22日,英國海軍中尉溫德姆要請法國飛行員駕駛飛機在印度進行此次飛行,每封信件附加航空郵費2.5便士。首次載客飛行發生在1914年1月1日的美國,美國飛行員託尼·賈納斯駕駛貝諾伊斯特水上飛機搭載1名乘客從聖彼德斯堡飛行到坦帕,飛行速度僅有91km/h,票價5美元。
德國在1919年2月5日,開闢了從柏林到魏瑪的每日定期客運航線,使用的是AEG和LVG單發雙翼飛機,飛行速度83km/h,飛行2個多小時。英國於1919年2月8日,開闢倫敦至巴黎的客運航線,每次可運載4名乘客,使用DH.9A軍用機改裝的DH-16機型,一臺羅·羅「鷹」12螺旋槳發動機,最大飛行速度197km/h。中國民航起步於1920年,1920年5月8日,正式開通京滬航線的北京至天津段的飛行,使用的飛機是德利·佩奇HPO/400轟炸機改裝的W.8客機「京漢」號,此飛機可搭載16人。
在上世紀20年代之前,飛機的機體包括骨架、支柱、翼肋和螺旋槳,都採用木質結構,蒙皮則使用亞麻布。木質結構雖然質量輕,加工簡易,成本低廉,但是強度小、剛度低、易燃、易腐蝕、吸溼性強。鋁合金的出現引發了飛機結構材料的革命,德國飛機設計師容克斯認為:製造飛機最合適的材料不是木材而是金屬。他採用杜拉鋁製成當時世界上第一架全金屬的飛機F13客機,該機於1919年6月25日首飛成功,搭載4名乘客和2名駕駛員,巡航速度140km/h。1932年,他又推出了三發大型客機Ju52,該機採用3臺545kW寶馬132T-2的9缸星型發動機,該機可搭載18名乘客,最高速度286km/h。
300-700km/h
波音247飛機
容克斯向世人宣告了飛機從木質結構跨進全金屬時代。1933年2月8日,美國波音公司研製的全金屬雙發單翼客機波音247首飛成功,巡航速度248km/h,航程776km,可搭載10名乘客。該機首次安排了一位空中小姐提供服務,標誌著現代民航班機的誕生。1935年,波音強勁的競爭對手道格拉斯公司研製出了著名的DC-3客機,該機最多可搭載32名乘客,巡航速度達到了331km/h,航程3400km,在性能上大大超過了波音247,在運營經濟性上則更為突出,使得航空公司的運營成本大大降低,該機被譽為民航史上第一架能賺錢的客機。DC-3的軍用型C-47不僅飛過二戰時中國戰場戰略運輸的駝峰航線,為中國大後方戰略物資提供了保障,而且毛主席去重慶談判乘坐的飛機、蔣介石的專機「美齡號」都是該型飛機。美國另一家老牌飛機製造公司洛克希德於1934年2月研製出了「伊萊克特拉」全金屬客機,採用2臺420馬力的普拉特·惠特尼發動機做動力,時速可以達到326km/h。
在上個世紀50年代,道格拉斯陸續推出的有4臺發動機的44座DC-4、107座的DC-6以及60-105座的DC-7,巡航速度分別達到了394km/h、509km/h和653km/h;洛克希德研製了44-81座的「星座」、66-102座的「超星座」和99座的「班機明星」,速度分別達到了483km/h、467km/h和530km/h;而此時的波音只推出了波音377「同溫層巡航機」,巡航速度547km/h。蘇聯於1976年試飛的安-32巡航速度達到了460km/h。1945年8月18日首飛的伊爾-12,最大飛行速度407km/h,以及後來的伊爾-14,飛行速度418km/h。中國的民用飛機發展始於上世紀50年代中期,運-5是新中國製造的第一架民用飛機。該機裝有一臺活塞式發動機和一具4葉金屬螺旋槳,具有較好的飛行性能和運營經濟性,最大速度256km/h。1970年運-7首飛成功,同款的客機新舟60,巡航速度達到430km/h。
隨著航空技術的不斷進步,後來研製的活塞螺旋槳客運飛機的飛行速度有所提高,但是在沒有劃時代的動力系統出現之前,很難將飛機的速度再向前推進一步。
700-1200km/h
噴氣發動機的發明為將飛機推向更高的飛行速度提供了堅實的基礎。噴氣時代軍用飛機率先出臺後,新一代噴氣客機呼之欲出,突破噴氣發動機技術的英國再次贏得了先機。在航空技術發展中,從活塞式飛機向噴氣式飛機的發展是個巨大的技術跨越,而這個跨越的踐行者就是英國著名的企業家、飛行員和飛機設計師德·哈維蘭。
德·哈維蘭DH106「彗星」是世界上第一架噴氣式客機
1952年5月2日,德·哈維蘭公司研製的DH.106「彗星」號噴氣客機,世界上第一種民用噴氣客機,正式投入航線首航。「彗星」在翼根部安裝4臺「幽靈」式噴氣發動機,巡航速度達到788km/h。然而,1954年1月和4月先後有兩架「彗星」客機在空中突然解體,導致兩次飛機爆炸解體的背後「殺手」是當時還不為人知的金屬疲勞。前蘇聯的圖-104於1956年9月投入航線,是前蘇聯第一種、世界上第二種投入運營的噴氣式客機。該機裝有兩臺渦輪噴氣發動機,最大飛行速度900km/h。1957年,毛主席應邀去蘇聯訪問,蘇聯派來接毛主席的客機就是圖-104A。
就在德·哈維蘭研製「彗星」之際,大洋彼岸的波音公司一刻也沒有停下,從「彗星」的事故中汲取教訓,在設計上做出了防止產生金屬疲勞的技術措施。1954年5月15日,波音公司舉行美國第一架噴氣式客機波音707的原型機367-80的下線儀式。該機於1957年12月首飛,1958年投入民航運營,最大巡航速度972km/h,最大載重航程可以達到6300km,波音707客機成了民航噴氣時代的佼佼者。1959年5月12日,一架波音707-320型飛機被選定為美國總統專機「空軍1號」。而波音的競爭對手道格拉斯於1959年才投入運營DC-8噴氣客機。在民用航空領域裡,後來的事實證明輸掉了時間就可能輸掉了市場。
寬體客機是客機設計史上的一次重要革命,1965年8月,薩特率領100位飛機設計師進行波音747的設計。1969年2月9日,波音747-100原型機「埃弗雷特城」號首飛成功,波音747將世界最大型客機紀錄保持了37年之久,直到波音強大的競爭對手空客推出了A380,才將這個紀錄打破。A380的最高巡航速度可以達到大約945km/h。迄今為止,美、蘇(俄)、歐共研製了11種寬體客機,總產量多達2000架。
自上個世紀50年代初超聲速戰鬥機問世之後,超聲速客機也粉墨登場,航空強國美國、蘇聯、英國和法國都開始了超聲速客機的相關研究。
1200km/h以上
速度達到1.2馬赫(約1470km/h)以後,對推力要求會急劇升高。1957年底,波音707完成了處女航,同時超音速客機進入人們的討論範圍。1962年底,英法籤署了聯合研製「協和式」客機的協議。該機從1976年開始服役,將商業航空運輸的速度提高了一倍多。該機安裝4臺具有加力燃燒室的渦輪噴氣發動機,並把飛機的速度限制在2.2倍聲速以下,即飛機只過「聲障」而不過「熱障」,所以,除了承受高溫的部位採用耐熱的鈦合金和不鏽鋼外,主要材料仍為鋁合金。與此同時,蘇聯也開始研製超聲速客機。1968年12月31日,由安德烈·圖波列夫設計的圖-144超聲速客機首飛成功,巡航速度達到2.35倍聲速。1963年美國總統甘迺迪決定由政府撥款研製一架比「協和」和圖-144更先進的超聲速客機波音2707,由於美國國會的阻撓該機胎死腹中。
雖只有短短30年「生命」,但「協和」和「圖-144」的震撼與美感將依舊留在人們的記憶裡
雖然1969年開啟的超聲速客運時代僅僅經歷了30多年由於幾起空難戛然而止。但是「協和」和圖-144帶來的震撼和美感依然留在人們的記憶裡。超聲速時代並沒有終結,隨著航空科學技術的進步,第二代超聲速客機已呼之欲出。灣流公司研製的QSJ「安靜超聲速噴氣機」被外界視為N+1代超聲速噴氣公務機的典型。QSJ起飛重量約45400kg、載客15人左右、巡航速度1.8馬赫(約2205km/h)、航程約8890km,其突出特點是採用了民用飛機上非常少見的可變後掠翼布局。波音公司則根據NASA所提出的N+2目標需求,提出了一種100座的超聲速飛機概念方案。該機採用「鴨翼+箭形主翼」的鴨式布局,機翼下方裝有兩臺發動機,機長約73.46m,起飛重量約136200kg,巡航速度1.8馬赫(約2205km/h),航程約7400km。洛·馬公司以早先與超聲速航宇國際公司合作開發的QSST超聲速噴氣公務機的放大改進型為基礎,提出了一種100座級、巡航速度1.6馬赫(約1960km/h)、航程約8982km的N+3代超聲速客機概念方案,並將其稱作「超聲速綠色飛機」。
對於民用客機而言,高超聲速客機也不僅僅是夢想,但是高超聲速飛機需要更強勁的動力,超燃衝壓發動機和變循環發動機便成為其中的選擇。美國NASA於2004年11月16日試飛了代號為X-43A的新型無人機,它創造了9.7馬赫(約11883km/h)的飛行速度。歐洲航天局開展的高空高速民用飛行器(也即亞軌道航天客機),能夠在2個小時內搭載50名乘客從歐洲飛到澳大利亞。2016年3月16日,洛·馬公司宣布計劃投資不超過10億美元用於高超聲速驗證機方面的研究。(汲生成)