人類對於速度的追求是無止境的——從雙足行走，到動物拉車、汽車、飛機和火箭，越來越快的速度讓世界從彼此隔離的大陸變成了「地球村」，在可展望的未來，或許能讓銀河系乃至全宇宙也變成人類的「後花園」。
在速度的尺度上，音速(340m/秒)和光速(299792458 m/秒)是兩個藩籬。目前，人類還無法做到超光速，但超音速卻能在一定條件下做到。
超音速飛機是如何設計的?
一架飛機要達到超音速，主要面臨兩個問題：足夠的推力，和如何抵抗超音速後飛機受到的壓力。
當飛機飛行速度接近音速時，周圍的流動態會發生變化，出現激波或其它效應，會使機身抖動、失控，甚至空中解體，並且還可產生極大的阻力，使其難以突破M=1的速度(航空上通常用M(即馬赫)來表示音速，M=1即為音速的1倍)。人們把這種現象稱之為音障。
對於第一個問題，人們研製出了超音速燃燒衝壓發動機，由進氣道、燃燒室、推進噴管三部分組成，比渦輪噴氣發動機簡單得多。
協和式飛機儘管採用了渦輪噴氣發動機，但卻加上了一般用於戰鬥機的加力燃燒室，其發動機也經過特殊設計。
機身設計能夠減少空氣阻力。比如協和式飛機的前機身細長，機體主要材質為更輕的鋁合金，部分部件以雕刻銑削方式從一整塊合金坯料製造成形以減少零部件數量。
採用向後傾斜的機翼可以延緩或消除音障現象的出現，減少飛行阻力。後來的亞音速和超音速飛機大都採用有向後傾斜角度的後掠翼、三角翼或梯形機翼。
超音速飛行會使得飛機摩擦生熱，和機外環境形成溫差。協和飛機超音速飛行期間，由於熱脹冷縮，機身會膨脹延長達300毫米，飛行工程師的儀錶板與客艙隔板間的距離會在飛行途中增加並形成一條縫隙。
利用這個特點，所有協和飛機在其退役飛行時，飛行工程師都會將自己的帽子放置於縫隙中，當飛機降落、冷卻後，帽子就會永久被夾在其中，作為紀念。
超音速飛行的歷史
1947年10月14日，人類首次完成超音速飛行。美軍飛行員查爾斯·艾伍德·「查克」·葉格(Charles Elwood "Chuck" Yeager)駕駛著實驗機貝爾X-1(Bell X-1)在 1.37萬公尺天空中飛到了1.06馬赫的高速，正式宣告突破音障。
劃時代的貝爾X-1由貝爾飛機公司(Bell Aircraft Company)與國家航空諮詢委員會(NACA，也就是NASA的前身)合作開發。它的外觀就像一顆加了翅膀的.50口徑子彈，長9.45米，機高3.35米，翼展8.53米。
XLR-11火箭發動機為其提供動力，其燃料為液氧與酒精和水的混合物。
貝爾X-1同時也是世界上第一種純粹為了試驗目的而設計製造的飛機，其設計是相當保守的，所有認為有疑問的設計、結構和加工技術都被謹慎地迴避了，也沒有採取後掠翼(儘管NACA早在1945年初就已導出了後掠翼的有關理論)，機身絕大部分的設計都很常規，比戰時美國任何一架戰鬥機的結構強度至少增加了50%。
由於動力設計較為保守，推力相對有限，貝爾X-1的續航時間很短，以至於從地面起飛達不到檢測高度與目標飛行性能，空中發射便成了唯一的選擇。實驗人員選擇把X-1掛在一架B-29重型轟炸機的炸彈鉤上，升到30000英尺高空時拋下。
由於超音速技術過於前沿，其率先在軍事上被投入使用。第一種實用的超音速飛機是美國於1949年研製成功的F—100戰鬥機。許多國家都擁有超音速戰鬥機，如歐洲「颱風」戰機、俄羅斯「米格-31」戰機和中國的殲20等。
人類首架超音速客機則是由前蘇聯圖波列夫公司製造的TU-144。其原型產品於1968年12月31日在莫斯科附近首次試飛，比協和飛機早兩個月。
其機頭兩側裝有細條狀的鴨翼，在起飛和著陸時使用，用作彌補雙三角翼在低速時的表現。發動機安裝在翼根之下，其引擎沒有配備反推器，需用減速傘協助減速。
(TU-144飛機三視圖)
緊隨其後的是英法聯合研製的大名鼎鼎的協和式客機。協和飛機採用S形前緣三角翼，免除了鴨翼給飛機帶來的複雜化。其發動機安裝在機翼下側中部，氣動特徵、發動機控制與TU-144完全不同，體積、重量、速度都低於TU-144客機。其著陸後和普通民航客機一樣利用反推力和制動器減速。
(協和飛機三視圖)
協和式客機最高載客量為120-140人，極速可達2.35馬赫，巡航在1萬8千米的高空。其體驗比TU-144優越(有TU-144乘客表示機艙內噪音震耳欲聾，相鄰而坐都聽不到彼此說話)，票價也很高昂(2000年巴黎到紐約單程為8148美元)，英國女王伊莉莎白二世、法國總統席哈克等名人都曾乘坐協和號。
在安全性上，協和式飛機也遠高於事故不斷的TU-144，自1976年開始就沒有發生過一次重大事故，一度被認為是「全世界最安全航班」。
不過2000年7月25日的一次墜毀事故暴露出了協和式的設計缺陷，自此由盛轉衰。
新時代超音速飛機有望重現輝煌?
儘管協和式飛機遺憾地退出歷史舞臺，但人類追求更快速度的雄心並未因此消退。
近年來，航空界仍然有不少公司在努力製造新的超音速客機，試圖解決協和的兩大痛點：噪音大和油耗高。包括歐洲航空防務和航天公司、美國斯派克航空航天公司、美國灣流航空航天公司以及美國艾裡恩公司等企業還有一些初創公司都在參與。
其中，最為知名的是航空界兩家老牌巨頭：洛克希德·馬丁、波音，還有新興航天公司維珍銀河。
洛克希德·馬丁
洛克希德·馬丁航空公司於2019年公布了新超音速飛機QSTA的設計。這是一架雙引擎噴氣式飛機，時速為1.8馬赫，最多可以搭載40名乘客。
這種設計創造出了X-59靜音超音速技術X-plane。它採用了一個加長的超尖的機頭來塑造聲波衝擊波，這種衝擊波將沿飛機而下，而不會像它的航空前輩那樣產生爆炸。
如果成功，在飛機突破音障時不會產生強烈音爆，從地面上只能聽到類似汽車門被砰地關上的聲音。
協和式飛機需要一個液壓下垂的機頭，以便飛行員在著陸時能夠正確地看到地面，而QSTA將使用一種技術解決方案:嵌入在前端的前視系統，將所需的視覺信息傳遞到駕駛艙。
(圖源：洛克希德·馬丁)
在飛機尾部，有一個不尋常的「飛行V-tail」結構，取代了通常在商用飛機上看到的標準單鰭設計，而是通常在戰鬥機上看到的雙鰭設計。
QSTA的動力來自兩個渦扇發動機，與協和式飛機不同的是，這兩個發動機沒有加力燃燒器。該公司表示，引擎需要新的設計，沒有現成發動機能直接給飛機使用。
這架飛機還只是在做早期的概念研究。
波音
波音2707是美國波音公司首次開發的超音速客機計劃，但最終在1971年撤銷了資金投入，在2架原型機完成之前就中止了整個計劃。
2019年，波音和NASA公布了全新的「跨音速」機翼設計TTBW，用製造商的話說，這是一種「輕型」、「超薄」、「更符合空氣動力學」的機翼概念。最初TTBW被設計以0.70 - 0.75馬赫的速度飛行，經過本次優化後，能夠飛得更高、更快。
波音還在進行亞音速超綠色飛機研究(SUGAR) ，並推出了Volt概念機，設想為燃料或電力驅動(類似混合動力汽車)，並可能在機翼設計中包括鉸鏈，這樣當它們在地面上時就可以摺疊。它的設計飛行速度為0.79馬赫，載客154人，航程3,500海裡，起飛距離較短。
波音另一個項目Icon II使用分裂的尾部設計，以實現陸上超音速飛行，並減少燃料燃燒和噪音。Icon II概念機可搭載120名乘客，巡航速度在1.6到1.8馬赫之間，航程約為5000海裡。
(波音Icon II概念設計。圖源：NASA/波音)
其競爭對手空中巴士則於2015年公布了一項專利，描述了一架最高時速可以達到4.5倍音速的超音速噴氣式飛機。專利顯示，新型超音速噴氣式飛機的極速將達到4至4.5馬赫之間，是協和的兩倍，其飛行高度也比傳統的商用客機要高20千米。
不過自那之後，空客再無什麼消息傳出。
維珍銀河
維珍銀河公司日前公布了其超音速噴氣式飛機的設計，擁有三角形「三角翼」，飛行高度將超過60000英尺，最多能載19名乘客，飛行速度為3馬赫。
這架飛機是由維珍銀河與勞斯萊斯合作開發，勞斯萊斯曾為已經停產的協和式飛機製造了加力燃燒室渦輪噴氣發動機，可謂經驗豐富。
目前該飛機設計已經通過了任務概念審查，這是對飛行器進行認證的一個早期但必要的步驟。
（圖源：維珍銀河）
除此之外，總部位於丹佛的 Boom Technologyy公司也推出了其超音速載人飛機原型Boom XB-1，將使用3D列印部件;Orbital ATK成功測試了3D列印的超音速發動機燃燒室，有望藉此打造出時速高達5500公裡的飛機，相當於4.5倍音速。
值得一提的是，2018年，有報導稱中科院研發團隊將研發一款名為「I-plane」的超音速飛機，飛行速度將達6000公裡/小時，採用雙層機翼設計，能夠運載5噸貨物或50名乘客。
編譯/前瞻經濟學人APP資訊組
參考資料：
http://www.360doc.com/content/13/0610/23/2950524_292049994.shtml
https://edition.cnn.com/travel/article/supersonic-airplane-qsta-lockheed-martin/index.html
https://www.msn.com/en-us/travel/news/virgin-galactic-just-revealed-a-new-supersonic-passenger-jet-it-planned-with-rolls-royce-which-used-to-make-concorde-jet-engines/ar-BB17vvtx
https://newatlas.com/boeing-sugar-volt-hybrid-aircraft/15915/
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