协和式客机
摘要协和式客机是由法国宇航和英国飞机公司联合研制的超音速客机,它和图波列夫制的图-144是世界上唯一曾投入商业使用的超音速客机。协和飞机于1969年首飞、1976年投入服务,并于2003年退役[1]。主要用于伦敦希斯路机场(英国航空)和戴高乐国际机场(法国航空)来往纽约肯尼迪国际机场的航班服务。它创下很多记录,包括于1996年2月7日以2小时52分钟59秒的时间创下由纽约至伦敦的最快时间。
虽然协和飞机的高昂研发费用令英法政府损失甚巨,但它却为英航带来巨额利润。英航和法航首班商业航班于1976年1月21日同时启航,较图-144S晚一个月左右,但它的飞行生涯远较图-144长。随着2000年发生一宗致命事故,及其后的911事件和其他因素影响令协和飞机于2003年10月27日终止服务,于同年11月26日飞航“退役”航班后结束其27年的商业飞行生涯。即使退役后,协和飞机仍然是航空历史上的重要象征。
优势协和飞机的平均巡航速度达2.02马赫(每小时2,140千米或1,330英里),最高巡航高度60,000英尺(18,300米)。其三角翼下装有4具为火神战略轰炸机(Avro Vulcan)研制的劳斯莱斯奥林匹斯(Olympus)发动机。此发动机由劳斯莱斯和SNECMA联合研制,为SNECMA提供进入商用喷气发动机市场的机会。协和飞机是首种使用模拟电传操纵的民航客机。为了增加着陆时的能见度而设的可变角度机鼻更成为它的标记。
在定期航班服务中,协和飞机使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)较为有效率,因此传统民用客机亦会使用类似这种方式爬升,名为阶段爬升(step climb)。但传统民用客机需要得到航空交通管制员许可才能爬升至更高高度。在越大西洋期间,协和飞机在50,000英尺后已没有其他民用客机与之共用空层,因此自50,000英尺起协和飞机能缓慢爬升至60,000英尺。
设计和发展50年代末,英国、法国、美国和苏联都计划研发超音速客机。当时英国的布里斯托飞机公司(Bristol Aeroplane Company)和法国的Sud Aviation分别在设计布里斯托223和超级卡拉维尔(Super-Caravelle),两家公司都获得政府巨额资助。英国的设计是一种载客100人并能够进行越大西洋飞行的超音速客机,而法国设计则是一种中程超音速客机。
60年代初,这两种设计已经进入建造原型机的阶段。但由于投资金融庞大,英国政府遂要求英国飞机公司在国际间寻找合作伙伴。与数个国家(包括德国和美国)商讨后,只有法国对合作计划有兴趣。合作计划并非由两家公司制定,而是由英法政府以国际条约的方式商议。计划包括一项由英方提出的条款,如果任何一方取消合作就必须付出赔偿金(英国财政部曾经两次几乎取消合作计划)。合作计划草案于1962年11月28日签定。此时,布里斯托飞机公司和Sud Aviation已经分别与其他公司合并为英国飞机公司和法国宇航。
起初,双方有意建造一种长程(6,000千米)和一种中程(4,400千米)的超音速客机。但与各潜在客户推销两种机型后,发现航空公司对中程的超音速客机兴趣不大,于是取消中程型号。长程型取得超过100架的订单,起始客户包括泛美航空、英国海外航空(BOAC)和法国航空,分别订购6架协和飞机。其他订购航空公司包括Panair do Brasil、日本航空、汉莎航空、美国航空、联合航空、加拿大航空、Braniff国际航空、伊朗航空、澳大利亚航空、中国民航、中东航空和环球航空。
协和飞机起初以法文“Concorde”定名,但英方早期却称它为“Concord”,命名问题一直争辩了数年。直到1967年12月11日命名问题才尘埃落定,首架协和飞机在图卢兹出厂,同日英国科技部长东尼·宾特(Tony Benn)宣布英方亦会称协和飞机为“Concorde”。宾特认为“e”可以代表卓越(Excellence)、英格兰(England)、欧洲(Europe)和挚诚协定(Entente Cordiale)。在其回忆录中,宾特忆述他当时收到一封由一位苏格兰人的信,信中写道:“你说“e”是代表英格兰,但协和飞机有些部份是苏格兰制造的!”。宾特在回信中表示:““e”也可以代表“Ecosse”(法语中苏格兰的名称),但也可以代表挥霍(extravagance)和不断增加(escalation)!”
两架原型机于1965年2月开始建造:001号机由法国宇航在图卢兹建造,而002号机则由英国飞机公司在布里斯托的菲尔顿(Filton)建造。001号机于1969年3月2日首飞,并于10月1日进行首次超音速飞行。1971年9月4日飞往南美洲进行巡回展示。002号机亦于1972年6月2日飞往中东、远东地区和澳大利亚共12个国家作巡回展示,总飞行距离达72,500千米。1973年首次飞抵美国,并降落于达拉斯沃斯堡国际机场(Dallas/Fort Worth International Airport),标志著该机场正式开幕。
这些巡回展示为协和飞机带来超过70架订单,但一连串因素导致大量订单被取消。包括1973年石油危机(协和飞机的耗油量比其他亚音速客机高)、部份订购协和飞机的航空公司出现财政问题、图-144于一次公开场合坠毁和像音爆、起飞噪音、污染等环境问题。只剩下法国航空和英国航空购买,双方政府都分享部份从营运协和飞机取得的盈利。以英航为例,协和飞机是由国家借贷购入,英国政府收回80%协和飞机取得的盈利,直到1984年才停止。
美国于1971年取消超音速客机的研究计划。提出了洛克希德L-2000和波音2707两个设计;洛克希德L-2000外型像协和飞机的加大版,但败给载客300人、可变翼(swing-wing)设计和飞得更快的波音2707。法国和英国的业界观察员认为,美国人以噪音污染为由反对协和飞机于其领空飞行某程度上是因为美国政府未能就肯尼迪总统于1963演说中 的承诺,制造出能与协和飞机竞争的机种而于幕后策划或鼓励。其他国家,如马来西亚亦因嘈音问题禁止协和飞机以超音速飞越其领空。
1974年后,英航和法航开始运作协和飞机进行一些展示和试航工作。协和飞机试飞过程设下很多至今仍然保持的记录;原型机、预产机(Pre-production)和首架量产机共试飞了5,335小时,当中2,000小时是超音速飞行。超过同等大小的亚音速飞机试飞时间4倍之多。1977年时,协和飞机单价为2,300万英镑。研发成本超资6倍。
技术特点很多在协和飞机中首次使用的技术,都常见于21世纪初的民用客机。高速和优化飞行·双三角翼
·劳斯莱斯/SNECMA制附有加力燃烧室的奥林匹斯(Olympus)发动机和可变进气坡道
·超音速巡航能力
·电传操纵发动机,是今天全权数位电子控制系统(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马赫的巡航速度带来最佳的燃油消耗(最低的超音速阻力,虽然涡轮喷气发动机于高速时性能较佳)
·主要由铝合金和以相对传统的方式建造
·全权自动驾驶(autopilot)和自动油门(autothrottle),容许飞行员于爬升至着陆期间完全不介入飞行操纵
·多功能的飞行操纵界面(control surfaces)
·部件更轻但压力达28Mpa的高压液压系统
·全电子控制类比电传制动(brake-by-wire)系统
·俯仰配平(Pitch trim)以在机身转移燃料的方式来控制重心(centre-of-gravity)
·部件以一整块合金制造成形,以减少零件数量
设计时需克服的主要问题压力中心的转移当任何飞机飞越临界马赫数(critical mach)时,压力中心会向后转移,在重心不变的情况下会为飞机带来一股下压力。即使工程师以特殊的方式设计协和飞机的机翼,压力中心仍然后移2米。虽然可以利用配平控制(trim controls)来抵销,但在如此高速的情况下会大幅增加飞机的阻力。因此,协和飞机会靠转移机身的燃料来改变重心,成为一种有效的辅助配平控制。发动机

为了令协和飞机经济上可行,它需要飞行一段颇长的距离,这需要一种高效的发动机。最适宜超音速飞行的发动机,需要有较小的横切面和低涵道比(low bypass ratio)以减低阻力及产生达超音速的排气速度。涡轮喷气发动机是符合这些要求的最佳选择,而性能较佳和较宁静的高涵道比涡轮风扇发动机则不适用。被选定的发动机为劳斯莱斯/SNECMA制的双轴(twin spool)奥林匹斯593发动机。原为火神战略轰炸机研制,其后再为协和飞机发展出593型。
所有常规喷气发动机都只能在大概0.5马赫的速度引入气流;因此速度达2马赫的协和飞机必须减慢进入发动机的气流速度。In particular, 协和飞机必须控制减慢气流速度时所形成的激波(shockwaves)以避免损坏发动机。发动机舱分别有一组坡道(Ramp)和一道溢流门(Spill door)负责这个工作,坡道和溢流门可以在飞行途中移位以减慢气流速度。坡道位于发动机舱顶部可以向下移动,而溢流门则位于发动机舱下方可以向上下开合控制气流流入或流出。起飞时发动机进气需求高,坡道会完全平放于发动机舱顶部,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;1.3马赫时,坡道会开始工作将气流引导出发动机舱并用于机舱加压之用。2.0马赫时,坡道会覆盖其可触及范围的一半,协助压缩空气和增加气流温度以减轻发动机压缩段(compressor)的工作压力。
发动机失效会为传统亚音速客机带来重大问题;不单单是失去一边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身造成灾难性的损害。发动机失效后涵道实际上已经毫无作用,所以协和飞机会将发动机舱溢流门向下打开并将坡道完全展开,将气流下压引导流过发动机,产生升力和将发动机流线形化以减低失效发动机产生的阻力。在测试中,协和飞机可以在2马赫飞行途中关闭同一方的2具发动机,而不会产生任何操纵问题。
协和飞机除了起飞和跨音速(transonic)时使用加力燃烧室外,其余时段均会关闭。它的发动机在无加力燃烧室的协助下亦能勉强到达2马赫,但发现由于要用更长时间飞越高阻力的跨音速段,因而需要燃烧更多燃料。
由于涡轮喷气发动机于低速是效率不佳,协和飞机在滑行至跑道期间就需要燃烧2公吨燃料。 为了减低燃料销耗,在降落后只会使用最外部的2具发动机滑行。由于经过长途飞行后,飞机重量已经大大减低,因此2具发动机已经足够推动协和飞机。如果协和飞机在降落后滑行中途耗准燃料的话,飞行员会被解雇。热力问题除了发动机外,全超音速飞机最热的部份就是机鼻。工程师们因为对硬铝较为熟识,而且其价格低廉、建构容易而获选定为协和飞机的主要建造物料。铝能在飞机寿命中持续抵御达127℃的高温,因此协和飞机的极速被限制于2.02马赫。
协和飞机于飞行期间会经历两个加热冷却的周期,第一次冷却于爬升时,之后超音速飞行时加热,最后于下降时再度冷却。这些因素都必须于冶金塑模时一并考虑。协和飞机超音速飞行期间,被压缩的空气会产生高热,机身会因此而延长达300毫米。最明显的证明就是飞航工程师的仪表板与客舱隔板间的距离会在飞行途中增加。
为了保持机舱凉快,协和飞机所载的燃油会吸收空气调节和液压系统产生的热力。超音速飞行时,驾驶舱的窗户会因为太热而不能触摸。
协和飞机于涂装上亦有所限制;表面只能涂上白色以避免超音速飞行时产生的高热影响到铝制结构。但于1996年时法国航空为了协助百事可乐宣传,曾把一架登记编号F-BTSD的协和飞机涂上全蓝色(除了机翼)涂装。这个涂装的协和飞机只能以2马赫飞行大概20分钟,在1.7马赫下则未有限制。F-BTSD未有执行任何需要长期以2马赫飞行的定期航班。结构问题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。解决办法是于高速转向时,只运作内边连接在机翼最强部份的升降舵补助翼(elevon),外部的升降舵补助翼则维持不动。
协和飞机的客舱窗户非常细小。研究发现若使用大窗户的协和飞机于超高空飞行时,窗户一但破裂的话,机员和乘客会在下降至安全高度前就失去知觉。即使戴上氧气罩亦不会有任何帮助。因此窗户需要设计得非常细小,以在紧急下降时压气机仍能保持机舱的气压。刹车装置由于起飞速度高达每小时250哩(400千米),协和飞机对刹车装置的要求较高。是首批使用防锁刹车系统的刹车装置,可以防止机轮于锁车时锁死,尤其于湿滑地面上能令减速能力有所提升和更易操纵。 碳基(carbon-based)刹车装置能把重188公吨、时速达190哩(305千米)的协和飞机于1,600米内刹停。完全停止后,刹车装置的温度会达300℃至500℃,需要数小时才能冷却。辐射量增加搭乘协和飞机的乘客,会因为超高巡航高度而比普通长途客机承受2倍通量的外部电离辐射(ionising radiation)。但由于飞行时间相对减少,在同等飞行距离下当量剂量(equivalent dose)较普通客机为少。 一些不寻常的太阳活动亦会导致入射辐射的增加,因此驾驶舱装有一具辐射计和量度辐射减低率的仪器。一旦辐射量过高,协和飞机会下降47,000英尺以下。量度辐射减低率的仪器读数会决定是否需要下降到更低高度,减少飞机暴露于危险辐射水平的时间。可下垂式机鼻可下垂式机鼻是协和飞机的外观特征之一,既保持着飞机的流线外型减低阻力,又可以于滑行、起飞和着陆时增加驾驶舱的能见度。三角翼飞机起飞和着陆时,迎角较亚音速飞机大。尖锐的机鼻会影响飞行员的视野,因此协和飞机的机鼻设计成可以外变角度以迎合各种操作需要。机鼻下垂时,透明整流罩会收到机鼻内。当机鼻回复水平时,透明整流罩会升回驾驶舱挡风玻璃前方,令机鼻回复流线外型。而早期协和飞机原型机的整流罩只有两扇小窗。 起飞时,驾驶舱内的控制器能控制透明整流罩收到机鼻内和把机鼻角度下调5度。起飞后,透明整流罩和机鼻都会回复原位。降落前,透明整流罩会再次收到机鼻内,而机鼻会下调至12.5度以取得最佳能见度。降落时,机鼻会迅速回复到5度以避免可能导致的损害。在非常罕有的情况下,协和飞机能把机鼻下调至12.5度起飞。也可以只降下透明整流罩,而机鼻维持水平,但只在清洁挡风玻璃和短时间亚音速飞行时使用。
定期航班

协和飞机的定期航班于1976年1月21日开始营运,分别由伦敦至巴林(英航)和巴黎至里约热内卢(法航,停经达卡)。当时美国国会禁止协和飞机在美国着陆,主要因国民抗议超音速造成的音爆。令两家航空公司觊觎的越大西洋航线未能成事。但美国运输部长威廉·高文(William Coleman)向协和飞机发出特别许可,营运前往华盛顿杜勒斯国际机场的航班服务,英航和法航同时于1976年5月24日开始营运前往华盛顿的服务。
美国的禁令于1977年2月撤销后,纽约市当局又颁布禁令禁止协和飞机来访。1977年10月17日,美国最高法院拒绝推翻联邦地方法院禁止纽约州和新泽西州港务局(Port Authority of New York and New Jersey)继续禁令的判决。巴黎和伦敦来往纽约肯尼迪国际机场的定期航班服务于1977年11月22日开始营运。英航的航班编号为BA001至BA004。
传统喷气客机由纽约飞往巴黎需时7小时,而协和飞机只需3小时30分钟。至2003年,法航和英航仍然每天营运前往纽约的服务。协和飞机亦会于季假期时飞航往巴巴多斯的服务,也偶然提供包机服务前往芬兰罗瓦涅米。1986年11月1日,一架提供包机服务的协和飞机以31小时51分钟完成环球飞行。
1977年及1979至1980年间,英航和新加坡航空共享来往巴林至新加坡的协和飞机服务。一架登记编号G-BOAD的协和飞机左边机身被涂上新航涂装,而右边机身则保留英航涂装。巴林至新加坡的服务只营运了3班航班便因为马来西亚当局禁止协和飞机飞越其领空而暂停。经长时间与马来西亚政府商讨后,巴林至新加坡航线于1979年1月24日恢复,但因载客量不佳而于1980年11月1日停止服务。1978年9月至1982年11月间,法航曾开办每周两班途经华盛顿前往墨西哥城的服务,期间发生的全球经济危机导致墨西哥城的服务最终被取消。1984年至1991年间,英航开办每周三班以亚音速由华盛顿飞往迈阿密的服务。1978年到1980年间,Braniff国际航空租借了10架协和飞机,英航和法航各提供5架。用于来往达拉斯与华盛顿之间的亚音速航班服务,由Braniff国际航空的机员负责飞航,到达华盛顿后由法航和英航的机员接手飞航余下前往巴黎及伦敦的超音速航程。但来往达拉斯与华盛顿的亚音速航班服务并未能带来盈利,载客率长期低于50%,因此Braniff国际航空于1980年5月终止该航班服务。
事故2000年7月25日,一架法国航空公司编号AF4590的协和飞机在巴黎戴高乐机场进行起飞时辗过了跑道上另一架美国大陆航空的DC-10脱落的小铁条,造成爆胎,而轮胎破片以每小时300千米的高速击中机翼其中的油箱,之后引发失火,导致飞机于起飞数分钟后即爆炸坠毁于机场附近的旅馆。这是协和号服役期间唯一的一次的失事,这场悲剧造成了113人丧生。
退役

2000年的失事促使飞机制造商重新检讨机体设计,并修补了诸多缺失。甚至利用制造防弹衣常用的凯芙拉(Kevlar)纤维来保护油箱,以避免油箱遭到高速异物刺穿。尽管如此,由于整个失事过程都被民众用家用录影器材拍摄下来,造成社会大众心理上的严重震撼,复飞前又发生911事件,而且机龄已届30年兼耗油量极高,即使协和飞机以往的声望有多高,这唯一一次的失事仍然让它从此一蹶不振。虽然协和飞机在2001年11月重新启航,但载客量一直严重不足,令航空公司亏损严重,加上机龄渐高,最终逼使协和飞机在2003年退役。
到2003年4月,尚有12架进行商业飞行。2003年10月24日,协和飞机在执行最后一次航班后,全数退役。
相关客机除协和飞机以外,唯一的另外一种商用超音速客机是由苏联设计制造的图-144型客机。
飞机资料协和飞机共建造20架,其中6架作开发测试之用。
包括:
·2架原型机
·2架预产机
·16架量产机(首两架量产机未有投入商业使用,其余14架投入商业使用,至2003年4月剩下12架在役)
社会冲击协和飞机使用的先进科技和其精雕细啄的外型,一直令她成为航空界的重要象征。很多英国人和法国人都认为它是国家的骄傲;法国人认为它是法国的飞机,英国人则认为它是英国飞机。
人们对协和飞机飞越时所造成严重噪音的反应代表着社会上的重大转变。最初在协和飞机航班试飞时,这种民用航空工业的产品都得到已发展的民主政府和其选民的广泛支持。大众(主要是美国东部沿岸的居民)对协和飞机噪音的反响代表着政治上的转折点,自此之后很多企业的科学家和技术人员都开始认真对待环境和社会冲击的问题。
卡劳·云迪(Carol Vendi)是协和飞机的其中一位主要反对者,他因为这次事件而取得一些政治基础并因此而进身美国国会。
规格基本参数·机组成员: 9人,包括机舱服务员
·载客量: 100名乘客
·长度: 202 英尺 4 英寸(61.66 米)
·翼展: 84 英尺 0 英寸(25.6 米)
·高度: 40 英尺 0 英寸(12.2 米)
·翼面积: 3,856 英尺²(358.25 米²)
·空重: 173,500 磅(78,700 千克)
·可用载重: 245,000 磅(111,130 千克)
·发动机: 4×劳斯莱斯/SNECMA 奥林匹斯593 Mk 610 后燃涡轮喷气发动机
·推力: 每个 32,000 磅(140 千牛)
·加力燃烧室推力:每个 38,050 磅(169 千牛)性能指标·最高速度: 2.04马赫 (每小时1,350 哩,每小时2,170千米)
·航程: 3,900 海里(4,500 里, 7,250 千米)
·实用升限: 60,000 英尺(18,300 米)
·爬升率: 每分钟1,525 米 (5,000 英尺)(每秒25,41 米)
·推重比: 0.373[2]
后续影响研制协和飞机的经验后来成为了空中客车的重要基础。以SNECMA为例,研制协和飞机使用的奥林匹斯发动机为SNECMA打开了民用发动机研制的大门,及后与通用动力组成CFM国际并生产成功的CFM56系涡扇发动机。
虽然协和飞机于70年代推出时是一项科技结晶,但30年后它那满布传统仪表和开关的驾驶舱已经变得过时。在没有竞争者的情况下,协和飞机无急切需要去提升航电(avionics)和乘客的舒适水平。这个情况与同年代推出的客机(如波音747)相反。
英国飞机公司(后来成为英国宇航)和法国宇航(后来成为欧洲航空防务及航天集团)是协和飞机型别检定证(type certificate )的共同持有人,空中客车集团成立后负责把型别检定证转到空中客车名下。