协和客机

协和式飞机的乘客体验

作为英航和法航的“旗舰”，协和飞机为乘客带来的体验与其他亚音速客机有很多不同之处。英航与法航的协和飞机客舱布局均为单一客舱级别，载客100人。客舱被划分为前后两个部分，内部由雷蒙德·罗维设计 ，前舱载客40人，后舱载客60人，前后舱之间以厕所分隔。座位布置为每排四座、中央单走道。由于协和飞机机身细长，客舱空间受到相当的限制，在近走道一侧的座位，客舱净空只有约1.8米（6英呎），走道净空最高也只有约1.9米。座椅也比其他亚音速客机头等舱的狭窄，实际上与普通客机的经济客舱座位相若。座位间距为38英寸，只比普通经济舱多约6至7寸。座椅上方行李架的空间也十分有限，所以协和飞机对随身行李的体积也控制得更为严格。1990年代时由波音747客机飞行的长途航班上，电影娱乐、角度或方向可调的座椅、步行区域是头等舱和商务舱最常见的服务特点，但这在协和飞机上均一一欠奉，但协和飞机相对较短的飞行时间弥补了欠缺上述设备的缺陷。协和飞机客舱前方装有一块等离子显示屏，显示当前飞行高度、飞行速度和空气温度。协和飞机拥有非常优质、高贵的服务水平，每位乘客均可以免费享用香槟，而飞机膳食均由玮致活（Wedgwood）生产的陶器和银餐具侍奉。协和飞机的巡航高度较亚音速民航机高出一倍，窗外会呈现出地球的曲率，乱流亦很少出现。超音速巡航期间，虽然飞机外部大气温度低至零下60 °C，但机身前部的表面加热会令机体加热至120 °C，窗户亦会变得温暖，前舱室温亦较后舱为高。三角翼亦令协和飞机能够达到较传统客机更大的迎角，此时机翼上表面会产生大量低压涡流，以维持升力。在潮湿的天气环境下，协和飞机甚至会被低压涡流产生的雾气包围。但这些情况只会于起飞和着陆的低速飞行时出现，这时协和飞机或许会遇到一些乱流和振动。协和飞机的飞行速度加上地球自转速度所产生的向心力，令飞机由西向东飞行时能令机上人员的体重暂时减少1%，而由东向西行时相对速度增大，向心力增加，体重则增加0.3%。但另一方面由于协和飞机的飞行高度很高，离地心较远，重量还要进一步下降 0.6%。由于协和飞机的巡航速度比晨昏线（solar terminator）的移动速度更快，令它能够追上和超越地球的自转。在西行航线上，以当地时间计算，抵达时间往往比起飞时间早。一些由巴黎或伦敦飞往美国方向的班机能在日落后起飞，并于中途追上太阳，在驾驶舱中就能看到太阳从西边升起的景像。换句话说，协和飞机可以让乘客“在伦敦出发之前就已经到达纽约”；英航亦以这个情形来宣传，推出口号“出发前就到达”（Arrive before you leave）。

协和客机已经退役，为什么还要研发超音速客机？

协和客机的停运缘于该机型的一次空难事故，所以英国公司需要研发一家新的超音速客机来弥补亏空。协和式飞机是一种由法国宇航和英国飞机公司联合研制的中程超音速客机，它和苏联图波列夫设计局的图－144同为世界上少数曾投入商业使用的超音速客机。在研发过程中，两国的研制团队关系甚为密切，经常交换意见。至1960年代初，这两种设计已经初步进入建造原型机的阶段，但由于投资庞大，英国政府遂要求英国飞机公司在国际间寻找合作伙伴。20世纪50年代，喷气发动机、后掠翼等技术的应用，战斗机已经实现了超音速和二倍音速飞行。喷气式客机趋于成熟后，民航界又把注意力放到超音速客机上，预计1960年代航空公司需要一种既能远程飞行，又能快速到达目的地的飞行器。

协和式飞机的技术特点

协和式飞机前机身细长，这样既可以获得较高的低速仰角升力，有利于起降，又可以降低超音速飞行时产生的阻力，有利于超音速飞行。协和式飞机由于机头过于细长，飞行员在起降时由于高仰角导致视线会被机头挡住，同时为了改善起降视野，机头设计成可下垂式，在起降时下垂一定的角度，可以往下调5至12度，以便飞机在起飞和降落时，飞行员获得极好的视野，巡航时则转到正常状态。不过庞大的机头角度调整设备占用了飞机的宝贵重量与空间。协和式超音速客机采用无水平尾翼布局，为了适应超音速飞行，协和式飞机的机翼采用三角翼，机翼前缘为S形。协和式飞机共有四台涡轮喷气发动机。发动机由英国罗尔斯·罗伊斯公司和法国国营航空发动机公司(Rolls-Royce/SNECMA)负责研制。发动机型号为“奥林帕斯”593Mk610涡轮喷气式发动机（Olympus 593）。单台推力169.32千牛（38,000 lbs)。发动机具备了一般在超音速战斗机上才使用的加力燃烧室(后燃器)。 协和式飞机的飞行速度能超过音速的两倍，最大飞行速度可达2.04马赫，巡航高度18000米，巡航速度达到每小时2,150公里。协和式飞机是1970年代的产品，但电子设备还是比较先进的。特别是在自动飞行方面，协和式飞机能够达到Ⅲ级自动降落和起飞，即协和式飞机完全能按照程序和指令，在无飞行员操纵下自动进行起飞与降落。由于协和式飞机设计于1960年代，所使用的技术只能代表60年代的技术水平，所以存在着两个重大的缺陷：一个是经济性差。协和式飞机一次可满载95.6吨的燃油，可每小时却要消耗掉20.5吨，耗油率较高。最大油量航程7000多公里，最大载重航程5000公里，由于协和式飞机航程较短，也就是说它只能勉强横跨大西洋飞行，而不能横跨太平洋飞行，这就限制了它的使用范围。协和式飞机标准客座为100，最大客座为140，载客量偏小，运营成本较高。从而降低了它的经济性。二是起落时噪音太大，致使世界上绝大部分国家都不让它起落；而且由于超音速飞行产生的音爆，被限制不得在大陆上空进行超音速飞行。 协和飞机最初的设计主导思想，是立足于1950年代的航空技术水平，避免采用过多未成熟的新技术。但后来在研制过程中发现，超音速客机在空气动力学、飞行控制系统、发动机等方面的技术难度都超过了预期，过分依靠既有技术难以达到预定的性能指标，所以协和飞机的发展过程中也研究、应用了许多新技术，代表了1960年代欧洲航空技术的最高水平，对以后的民航客机发展具有重要影响，但协和飞机的研制时间也因此大大延长。高速飞行和飞行性能优化： S型前缘双三角翼；电脑控制的可变发动机进气坡度，超音速巡航能力；电传操纵发动机，是今天全权限数字电子控制（Full Authority Digital Electronic Control）发动机的先驱；可下垂式机鼻，以增加着陆时驾驶舱的能见度；减重和提升性能； 2.04马赫的巡航速度能带来最经济的燃油消耗（虽然涡轮喷气发动机于高速时能获得较高的效率，但以2倍马赫速度巡航能面对最低的激波阻力）；机体主要材质为铝合金以减轻重量，并以传统的方式建造以避免未知因素带来的风险；全权自动驾驶（autopilot）和自动节流阀（autothrottle），容许飞行员于爬升至着陆期间完全不介入飞行操纵；全电子类比电传操纵飞行控制系统多功能的飞行操纵界面（control surfaces）；部件更轻但压力高达28Mpa的高压液压系统传输各项空气动力学数据（包括总压力、静压力、迎角、侧滑等）的数据通道，传感器分布于机身多个位置；全电子控制类比电传制动（brake-by-wire）系统，采用俯仰配平（Pitch trim），燃油可以在各油箱内转移以控制飞机重心和升力中心的相对位置；部分部件以雕刻铣削方式从一整块合金坯料制造成形，以减少零部件数量，同时减轻重量并提高部件强度。 协和飞机的S型前缘细长三角翼的出现，有功于1950年代至1960年代期间超音速空气动力学、旋涡动力学的蓬勃发展，许多理论上的预言已经得到了风洞试验的证实。第二次世界大战后，后掠翼得到了广泛的应用，超音速飞行也成为可能。1950年代初，英国皇家飞机研究院（Royal Aircraft Establishment，RAE）空气动力学部成立了一个研究小组，开始了对超音速客机的初步研究和设计工作。起初研究小组提出过采用后掠翼的方案，但发现这样虽能提高飞行速度，但也产生了一些问题，最主要是降低了飞机的升阻比，起飞着陆距离长。为了改善飞机的低速性能，研究小组甚至讨论过采用可变后掠翼的可行性，但依然存在结构复杂、配平困难等问题。但非常幸运的是，一大批优秀的空气动力学家，例如迪特里希·屈西曼（Dietrich Küchemann）、约翰娜·韦伯（Johanna Weber）、史密斯（J. H. B. Smith）、马斯克尔（E. C. Maskell），当时云集超音速运输飞机委员会（STAC），为协和飞机的细长三角翼作出重要贡献。 这些空气动力学家的研究发现，气流从涡流发生器（例如细长机翼）前缘通过会分离出稳定的漩涡（脱体涡，trapped vortex），高速旋转的气流提高了机翼表面的负压，漩涡强度随迎角增大而增大，产生很大的涡升力（Vortex lift），并在升力线斜率上表现出明显的非线性。这种非线性升力在低速或大迎角状态下更明显，所产生的升力更大。1950年代起，跨声速风洞、超声速风洞成为试验超音速飞机气动性能的最佳途径。在试验中，三角翼的优势越来越明显。在超音速飞行中，三角翼气动阻力小，而机鼻形成的冲击波到达三角翼的大后掠前缘时，会使三角翼产生非常高的气动效率。另一方面，在大迎角飞行时，三角翼的前沿还能产生大量涡流，附着在上翼面，产生的涡升力能大大提高总体升力。一批三角翼试验机，如亨德里·佩奇公司的HP.115、费尔雷公司的Delta 1、Delta 2，也验证了这项特性。然而，普通无尾三角翼的设计也拥有了后掠翼的部分缺点，由于超声速三角翼飞机展弦比较小，低速飞行时的升阻比低，气动特性不理想，起飞着陆距离长。因此，协和飞机采用了双三角翼的设计。双三角翼的内外侧两个后掠角，靠近机身的翼根位置有较大的后掠角，以降低阻力；而在主要产生升力的机翼外段采用较小的后掠角和较小的机翼弦长，机翼前沿不是直线而是S型的曲线。细长S型前缘三角翼提高了低速时的升阻比，涡流稳定性好，平衡了高速和低速时的要求，对低速起降时的操纵性有所改善。协和飞机的细长三角翼由于有效利用了脱体涡升力，满足了飞机在低速、大迎角的情况下所需要的升力。此外，S型前缘三角翼的空气动力中心位于飞机重心之后，最大限度地减少升力中心随速度的移动；从亚音速过渡到超音速飞行时，机翼压力中心位置变化较小，提高了飞机的稳定性。 为了令协和飞机在经济上可行，它需要飞行一段颇长的距离，这需要一种高效率的发动机。为了适应超音速飞行的需要，因此迎风面积较小的涡轮喷气发动机是最佳选择，以减少阻力及产生达超音速的排气速度，而油耗较低和噪声较少的高涵道比涡轮风扇发动机则不适合用于超音速客机。每架协和飞机装配了四具由劳斯莱斯和斯纳克玛公司联合研制的奥林匹斯593 Mk 610型轴流式双转子（twin spool）涡轮喷气发动机，是当时世界上推力最大涡喷发动机，每具可产生多达18.7吨的推力。奥林匹斯发动机最初是为火神式轰炸机（Avro Vulcan）研制，其后再为协和飞机发展出593型。四具发动机以两具一组发动机短舱的方式，分别下挂在机翼下侧，而没有发动机支架，减少了气体湍流，使发动机更加稳定，以免发动机在超音速飞行时脱落。协和飞机也可以使用反推力装置，以提高下降率及缩短降落距离。当飞机处于亚音速飞行而高度低于30,000英尺（约9144米）时，靠近机身的两具发动机反推力装置便可开启，飞机的下降率可提高至每分钟10,000英尺（约3048米）。奥林匹斯593型发动机是西方国家唯一一种带有加力燃烧室的民用涡喷发动机。协和飞机除了在起飞和跨音速时（0.95马赫至1.7马赫之间）使用加力燃烧室外，其余时段均会关闭。实际上在无加力燃烧室的协助下亦能勉强到达2马赫，但发现要花更长时间在高阻力跨音速阶段的加速过程，耗油量反而更高。由于涡轮喷气发动机在低速时效率非常低，协和飞机在跑道滑行起飞时就需要消耗超过2吨燃料。由于飞机在经过长时间飞行后飞机重量随燃油消耗而减轻，飞机降落后在地面滑行时只会使用外侧的两具发动机就能提供足够推力。如果协和飞机在降落后滑行中途耗尽燃料的话，飞行员会被解雇。尽管如此，当协和飞机以2马赫速度进行超音速巡航时，奥林匹斯593型其实是世界上效率最高的涡轮喷气发动机。在超音速飞行时，进气道口会产生激波并对空气进行预压缩。为了降低超音速激波阻力，并让发动机维持最佳进气效率，协和飞机的进气道也经过了特殊设计。所有常规喷气发动机都只能吸收速度约0.5马赫的气流，因此巡航速度达2马赫的协和飞机必须将超音速的进气速度减慢至亚音速，否则发动机效率会大大降低，并可能引发发动机喘振等问题，另外协和飞机也必须控制减慢气流速度时所形成的激波位置以避免损坏发动机。为解决上述问题，协和飞机采用了可调节进气道，以一对可移动的大型斜板（Moveable ramp）和一道溢流门（Spill door/Auxiliary flap），按不同的飞行速度和情况，调节进气速度和激波位置并对引进气流进行预压缩。两块斜板位于发动机短舱进气道顶部，由液压系统控制，可以向下移动；而溢流门则位于进气道下方可以向上下开合控制气流流入或流出。在飞机起飞时发动机进气需求高，斜板会平放（处于收起状态），溢流门会向上打开以增加进气量。当飞机速度到达0.7马赫时，溢流门会关闭；而速度达1.3马赫时，斜板会开始移动并将气流引导出进气道并用于机舱加压。当飞机以2.0马赫进行超音速巡航时，斜板会覆盖一半进气口面积，协助压缩空气和增加气流温度以减轻发动机压缩段的工作压力。这套系统对提高发动机效率有很大帮助，协和飞机在超音速飞行时，有63%的推力是由进气道预压缩产生。如果在飞行时发动机失效熄火会为传统亚音速客机带来重大问题，不仅是失去部分推力而且还会产生很大的阻力，导致飞机向失效发动机的一方倾斜和偏航。如果这个情况于超音速飞行时出现，几乎可以肯定会对机体强大产生极大的挑战 。发动机失效后涵道实际上已经毫无作用并且成为严重的阻力来源，所以协和飞机会将失效发动机的进气道溢流门向下打开，并将斜板完全展开以形成进气口接近封闭的状态，将气流下压并导向发动机下方通过，将发动机短舱恢复流线型，以减低失效发动机产生的阻力同时提供少许升力。在实际测试中，协和飞机可以在2马赫飞行途中关闭一侧的2具发动机，而不会产生任何操纵问题。而飞行员也需要定期接受培训，学习应付这种突发情况。 协和飞机在在五万余呎高空飞行，机外环境温度约为零下50℃，飞机在超音速飞行时，空气压力和摩擦力会使飞机表面加热，而且飞机不同部分的升温情况也有所差异，并且会在机身表面形成温差。超音速飞机最热的部份除了发动机之外就是机头头锥，协和飞机在飞行时头锥最高温度可达127℃，机身后段也可超过90℃。协和飞机主体材质为硬铝（AU2GN/ASTM 2168飞行器专用铝材），仅在部分需要长时间承受高温的特殊部位，例如升降副翼、发动机短舱等处使用钛合金和不锈钢。铝材在当时已经在飞机制造工业广泛使用，应用经验较多，而且价格低廉、建构容易。硬铝结构稳定，可持续承受达127℃的高温，因此协和飞机的最高速度被限制在2.02马赫，而这个速度是硬铝的高温极限。假如目标速度超过2.02马赫，机体则需要大范围的使用钛合金或不锈钢，大大增加制造成本和飞机重量。协和飞机于飞行期间会经历两个加热及冷却的循环。第一次冷却于飞机起飞爬升时，机身温度随高度提升而下降；然后超音速飞行时机体表面加热，最后于飞机下降、速度减慢时再度冷却。这些因素都必须于冶金塑模时一并考虑。为此协和飞机在研制时建立了一个试验平台，对一片全尺寸的机翼进行反复加热和冷却，并定时抽取金属样本进行金属疲劳检验。由于热胀冷缩，协和飞机超音速飞行期间，机身会膨胀延长达300毫米，这个现象最明显的地方就是飞行工程师的仪表板与客舱隔板间的距离会在飞行途中增加并形成一条缝隙。所有协和飞机在其退役飞行时，飞行工程师都会将自己的帽子放置于缝隙中，当飞机降落、冷却后，帽子就会永久被夹在其中。为了保持机舱凉快，协和飞机所载的燃油会有类似“散热片”的作用，以吸收空气调节和液压系统产生的热力。超音速飞行时，驾驶舱前的窗户也会被加热，此时窗前会加上一块遮阳板以防止热力直接传递到驾驶舱。由于协和飞机具有表面加热的特性，因此其涂装亦有所限制。机身表面大部分面积只能涂上具有高反射特性的白色涂料，以避免超音速飞行时产生的高热影响到铝制结构和油箱安全 。至1996年，法国航空为了协助百事可乐宣传，曾将一架协和飞机（登记编号F-BTSD）除机翼以外涂上以蓝色为主的广告涂装。根据法国宇航和法国航空的建议，这架协和飞机维持以2马赫的速度飞行不多于20分钟，而在1.7马赫下则未有限制。只有F-BTSD被选定用于广告宣传，是因为它不需要执行任何需要长时间以2马赫飞行的定期航班。结构强度协和飞机高速飞行时，转向会为飞机结构带来巨大压力，导致结构扭曲变形。为了在超音速飞行时依然能够维持有效、精确的控制，解决办法是对机翼内侧和外侧的升降副翼（elevon），依照不同的速度状态，进行按比例的调整。超音速飞行时，相对软弱的机翼外段的副翼控制面将会锁定在水平位置，而只会操作靠近翼根位置、相对强度较高的内侧副翼控制面。另一方面，细长的机身意味着较低的结构强度。实际上协和飞机飞行时机身会出现少许弯曲，尤其在起飞时这个现象更为明显 。这个时候当飞行员在机头回望客舱，就能显著的看到这个情况，但由于机舱中段设置了厕所，阻隔旅客的视线，所以大多数旅客并未能察觉到机身的变化。 无尾三角翼飞机的起飞（降落）距离和速度都比较高，这对飞机的制动系统和起落架也是一项挑战。协和飞机起飞速度高达每小时400千米（250哩），为了让飞机在起飞失败后迅速减速，协和飞机是首批使用防抱死制动系统（ABS）的民航客机，这是一套具有防滑、防锁死等优点的安全制动控制系统。传统制动系统在飞机起飞失败紧急制动时往往只能抱死机轮，加上前冲的惯性，容易造成侧滑、方向不受控制的情况。防抱死制动系统可以防止机轮于制动时锁死令轮胎的静摩擦力变成滑动摩擦力而无法控制方向，提高制动效率和操纵性，避免飞机失去控制，这尤其于湿滑地面更为重要。 协和飞机也是全球首种采用碳基（carbon-based）制动装置的民航机。这是邓禄普（Dunlop）公司的产品 ，能够把重达188公吨、时速达305千米（190哩）的协和飞机于1,600米内煞停。完全停止后，制动装置的温度会达300℃至500℃，需要数小时才能冷却。除此之外，由于协和飞机是无尾三角翼设计，在起飞时需要一个较大的迎角（约18度）才能获得足够的升力，因此起落架也需要特别加强，并延长主起落架支架。但这又对起落架的收纳产生麻烦，为了减少占用空间，起落架收起时需要伸缩一段距离，否则两个起落架将会碰撞。另一方面基于大迎角起飞、降落的需要，为避免机尾触地，协和飞机也在机尾设置了一个小型双轮辅助起落架，成为协和飞机的一个特色。 可下垂的机鼻头锥是协和飞机的外观特征之一，既能在飞行时保持飞机的流线外型减低阻力，又可以于滑行、起飞和着陆时改善飞行员的视界。为了减少飞行阻力，协和飞机的机头较其他民航机更长，并呈针状。三角翼飞机起飞和着陆时的迎角较大，又长又尖的机鼻会影响飞行员对跑道、滑行道的视野，因此协和飞机的机头设计成可以改变角度以迎合各种操作需要 。另外机头头锥也带有一个整流罩，这个可移动的整流罩具有维持机头流线型、保护驾驶舱玻璃、阻隔超音速飞行热力等功能。整流罩会在头锥下垂前收纳到头锥内，而当头锥恢复水平时，整流罩会升回驾驶舱挡风玻璃前方，令机头回复流线外型。首两架协和飞机原型机的整流罩只有两扇小窗。但美国联邦航空局反对这种严重影响飞行员视界的设计，并要求改善设计，否则协和飞机将不予容许在美国营运。因此以后制造的预生产型、量产型飞机整流罩均修改成六扇大窗。在地面滑行和起飞时，驾驶舱内的控制器能控制整流罩收纳到头锥内并把头锥角度下调5°。起飞后，整流罩和头锥都会恢复原位。至飞机降落前，整流罩会再次收纳到头锥内，然后头锥会下调12.5°以取得最佳前下方视界。而降落时头锥会迅速回复到5°的位置以避免头锥触地。在非常罕有的情况下，协和飞机会将头锥下调至12.5°起飞。此外，协和飞机也可以仅仅收起整流罩，而头锥维持水平，但这只有在清洁挡风玻璃和短时间亚音速飞行时使用。 普通亚音速民航客机由纽约飞往巴黎需要花上8小时，但协和飞机完成同样旅程仅仅需要少于3.5小时，平均巡航速度达2.02马赫（2,140千米/小时），最高巡航高度为18,300米，比普通飞机快超过两倍 。在定期航班服务中，协和飞机采用一种较有效率的“巡航爬升”（cruise-climb）方式。随着燃油消耗，飞机变得越来越轻因而能够爬升至更高的高度。这样的方式通常有较高效率，因此普通民航客机亦会使用类似这种方式爬升，名为阶段爬升（step climb），但普通飞机需要得到航空交通管制员许可才能爬升至更高高度。在北大西洋航线（North Atlantic Tracks）巡航期间，协和飞机在爬升至50,000英尺后已没有其他民用客机与其共用空层，因此自50,000英尺起协和飞机能缓慢爬升至60,000英尺。 由于平流层气流运动稳定，气流以平流运动为主，超音速飞机的航线是长期固定的，而非像其他飞行在平流层底部的普通民航客机，需要每天根据天气情况调整航线。英国航空航班的呼号是“Speedbird”，但唯独由协和飞机执行的航班是例外。为了提醒航空交通管制员协和飞机独特的性能和限制，通讯时会在其呼号“Speedbird”后加上“Concorde”，所以协和飞机的航班（BA001—BA004）在通讯中会被称为“Speedbird Concorde 1”—“Speedbird Concorde 4”。而来往巴巴多斯的包机服务，及维修后的试验飞行，其呼号也会使用“Speedbird Concorde”为前缀并加上四位数字的航班号码。