传奇背后协和双杰

  ，在协和式之后再无超音速民航客机。在协和式的技术成就的背后，有两个德国人的身影。

  美国是动力航空的发源地，莱特兄弟历史性的一跃把人类带入了动力航空的时代，但新兴科技大国德国在航空理论的早期发展中有及其重要的作用。奥托o李连达尔算不上空气动力学家，但他对弯曲翼型对升力作用的认识使得他成为第一个实现可靠的受控滑翔飞行的人。马丁o库塔不仅与卡尔o龙格建立了常微分方程数值解的龙格-库塔算法，还与尼古拉o茹科夫斯基建立了茹科夫斯基-库塔翼型、库塔-茹科夫斯基定理和库塔条件。

  路德维格o普朗特在流体力学里的成就只要举一个普朗特数就够了，即使流体力学大家也不是每人都有一个以自己名字命名的特征数的。普朗特还有几个大名鼎鼎的学生：麦克思o蒙克建立了薄翼型理论，使得在计算工具还不发达时代的升力计算成为可能；西奥多o冯o卡门则是超音速和高超音速飞行理论方面的先驱，也是钱学森的老师；雅克布o艾柯莱特的成就在于燃气轮机和螺旋桨，他也是火箭之父维尔纳o冯o布劳恩的老师；阿道夫o布斯曼在战前就发明了后掠翼理论；另外就是协和双杰之一的迪特里希o库奇曼（Dietrich Kuchemann）。

  库奇曼在1911年9月11日生在德国哥廷根。哥廷根有一所有名的大学，这里有过物理学家马克思o玻恩、马克思o普朗克、恩里科o费米、沃尔夫冈o泡利、维尔纳o海森堡、罗伯特o奥本海姆（之父）、保罗o狄拉克、数学家卡尔o高斯、伯纳德o黎曼、约翰o狄黎克雷、大卫o希尔伯特、菲利克斯o克莱因、卡尔o龙格、赫尔曼o闵可夫斯基（爱因斯坦的老师）、赫尔曼o外尔、诺伯特o维纳、诗人海因里希o海涅、哲学家阿瑟o叔本华、社会学家马克思o韦伯、约尔根o哈贝马斯、语言学家/作家格林兄弟、教育家威廉o洪堡、爱德华o埃弗里特、政治家奥托o冯o俾斯麦、盖尔哈德o施罗德、理卡德o魏茨泽克、银行家内森o罗斯柴尔德、JPo摩根，还有普郎特及弟子们。库奇曼也是哥廷根毕业的，并获得博士学位。库奇曼本来是想师从玻恩学习理论物理的，那时哥廷根是世界理论物理学界的半壁江山，玻恩则是擎天一柱，玻恩还是库奇曼父亲的朋友，但在纳粹排犹恶浪的席卷下，玻恩出走去美国了，库奇曼则改投普朗特门下，从事空气动力学研究。他在1936年获得博士学位。1938年，库奇曼志愿参军，作为军士派到通信兵部队。但在整个战时，库奇曼没有上过前线，而是继续研究工作。库奇曼在战时设计过战斗机活塞式发动机的低阻散热器和梅塞斯密特Me-262战斗机的进气口。德国是水冷活塞式发动机的先驱，采用奔驰V12水冷发动机的梅塞斯密特Me-109在西班牙战场初显神威，打碎了苏联战斗机“更加灵活的双翼打空战、速度好的单翼打追击”的迷思，但散热器需要和空气交换才能散热，既要增加空气接触面，又要降低阻力，这是很考验空气动力功底的。但他的主要工作是研究喷气发动机进气口设计。Me-262是1939年开始设计的，这是历史上第一种喷气式飞机，喷气发动机进气口设计与飞机设计的整合是一个全新的课题，进气口不光要在不过分增加阻力的情况下为发动机可靠供气，还要把进气气流理顺，减速增压，确保发动机处在最优工况，达到最大出力。库奇曼可谓开创发动机进气口设计领域的先驱。

  战时德国是高速飞行、激波阻力研究的中心，进气口的气动分析与飞机不一样，但在基本理论层面上是相通的，库奇曼对后掠翼、激波这些课题和研究成果同样熟悉。战后，库奇曼的很多德国同事（如布斯曼、冯o勃劳恩和下文提到的利皮希）去了美国，库奇曼来到英国，在1946年加入位于范保罗的皇家飞机研究设计院（简称RAE）工作。在这里，他继续高速飞行方面的研究。这也是飞行技术快速地发展的时代。在二战的最后年代，活塞发动机马力慢慢的变大，后来还出现了喷气发动机，人们信心满满地向音速冲击，但一次又一次撞上了看不见的墙，机毁人亡，从此有了音障的传说。空气是可压缩的，但压力波在空气中以音速传递，因此飞行速度逼近音速时，前方空气躲闪不及，被挤压在一起，形成致密层，这就是激波。飞机正好达到音速时，压力波层被挤压到一起，形成垂直于飞行方向的平面激波；飞机速度超过音速后，激波成为锥形，速度越快，锥形越尖锐。在跨音速到超音速阶段，由于飞机“顶着”接面的激波前进，好比在大风天顶着门板前进，阻力很大，因此跨音速减阻对于达到超音速飞行十分重要。

  一般认为，美国的理查德o惠特康姆在1952年建立了跨音速面积律，指出只要飞行器截面积沿长度均匀变化，就能够达到跨音速阻力最低，这也是蜂腰机身的理论依照。其实早在1943年，德国的奥托o佛兰泽尔就在比较大后掠翼和W形翼的风洞研究中，发现了最终引向跨音速面积律的研究结果，并在1944年3月的德国航空研究院的学术会议上发表论文。这已经是苏联红军反攻波兰、美英盟军逼近罗马的时候了。但这也是纳粹德国试图用秘密武器反败为胜的最疯狂时代，V-1飞航导弹即将落在伦敦。在纳粹德国最后研制秘密武器的疯狂中，几种飞机设计已经使用了某种蜂腰概念。与惠特康姆从飞行器减阻出发不同，战后库奇曼在RAE的研究从减少后掠翼展向流动出发，也得出类似面积律的结论，并在1947年的亨德利-佩吉“胜利者”轰炸机的设计中得到使用。

  “胜利者”轰炸机机翼上的纺锤体不是液压机构，而是面积律的应用，后来人称“库奇曼的胡萝卜”

  面积律的一个突出优点是只与机体-机翼的截面积有关，而与截面形状无关，这为利用面积律修形降低跨音速阻力提供了极大的设计便利。采用蜂腰形机体只是利用面积律的一个方式，但不必拘泥于此，只要飞行器截面积均匀变化就可以，所以康维尔990客机、亨德利-佩吉“胜利者”轰炸机甚至苏联的图-95轰炸机都没有蜂腰形机体，而是在机翼后缘有庞大的纺锤体，霍克“海隼”则在垂尾上安装了类似的纺锤体，都是用于面积律修形。这些机翼上的纺锤体有一个别称：“库奇曼的胡萝卜”。把面积律修形体安装在机翼上，还可增加机翼油箱容积，并为机翼卸载。现代客机把截面积与截面形状进一步分离，翼根鼓包的大小超过机翼-机体对接结构的需要，也超过主起落架收放的需要；襟翼副翼作动筒整流罩的大小远超于机械安装需要，尤其是后端大大超过机翼后缘，这些也是面积律修形的考虑。

  跨声速飞行时，用机翼的平面形状推迟激波的产生甚至比面积律更重要。30年代时，布斯曼发明了后掠翼理论，另一个德国同行亚历山大o利皮希则发明了三角翼。有意思的是，布斯曼在1935年国际学术会议上介绍后掠翼的时候，美英的同行无动于衷，结果到1939年德国用风洞试验研究后掠翼并在Me-262的设计中考虑后掠翼的时候，美英依然固守平直翼。Me-262的设计最初曾考虑过30度甚至40度的后掠角，但最终因为结构和重心控制原因而降低到18.5度。同时代的英国格洛斯特“流星”战斗机只晚投入战斗两天，但在相同高度与发动机推力大体相当的情况下，“流星”的速度为760公里/小时，而Me-262能够达到830公里/小时，后掠翼在这里起了作用，但美英科学家要到战后才理解这个原因。利皮希的三角翼最初不是从高速飞行的方面出发的，而是用来取消平尾的。无尾三角翼飞机取消了平尾结构，重量较轻。但三角翼对于轻型高速飞机的作用也是显而易见的。利皮希的团队受命用火箭发动机设计轻型高速战斗机，最终成为具有惊人速度但毫无续航时间可言的梅塞斯密特Me-163“流星”战斗机。Me-163的失败在于没有合适的发动机，但利皮希的三角翼理论最终得到认可，在1943年已经49岁时获得海德堡大学的博士学位，那个时代的德国博士的含金量还是很高的。利皮希三角翼的后掠角不大，作为无尾三角翼，俯仰控制力矩较短，飞控特性不好。利皮希三角翼也较厚，并不适合于高速飞行。在二战期间，美国NACA（现代NASA的前身）的罗伯特o琼斯推出薄翼型超音速三角翼理论，更为适合高速飞行，触发了战后三角翼飞机发展的高潮。大后掠三角翼间接解决了俯仰控制力矩不足的问题，与细长机体配合，适合高速飞行，但要解决前缘尖锐的薄翼型的气流分离问题和大后掠三角翼的低速飞行问题。按照传统气动理论，气流如果出现分离，机翼就将失去升力。大后掠三角翼的低速飞行问题到现在依然是难题。这也是英国航空科技余辉映照的时代。英国率先推出“彗星”式客机，抢先打开民航喷气时代的大门，但技术路线和经营路线上的错失导致失去先机，金属疲劳问题造成接连坠机更是致命打击，终于被波音后来居上，用划时代的波音707真正开创了民航的喷气时代。英国试图在超音速民航方面夺回先机，范保罗的RAE被赋以重任，库奇曼的黄金时代即将到来。

  库奇曼很得到英国的重用，在1953年被授予英国公民，1954年提拔为RAE的高级首席科学家，1957年升任副总科学家兼超音速组主任，1966年进一步升任RAE空气动力学部总负责。50年代初的典型超音速机翼是短梯形，洛克希德F-104就是一个典型。短梯形的升力机制简单，阻力小，但低速时升力不足，操控很糟糕，起飞、降落速度很高，需要很长的跑道。变后掠翼的高速和低速特性都很好，但重量和机械复杂性太大。大后掠翼和简单三角翼在设计理念上没有本质差别，主要是有尾、无尾的结构重量和飞控差别，同样具有低速飞行问题。库奇曼和乔安娜o韦伯合作，提出用大后掠薄翼型三角翼在大迎角飞行时造成的涡升力增升，大后掠三角翼较长的弦长正好使得升力涡有发育成熟、产生升力的条件。这是革命性的。经典气动理论最忌讳气流分离，肥厚的机翼前缘正是避免气流分离的传统做法，但这与超音速飞行所需要的尖锐前缘相抵触。反过来，尖锐前缘导致的气流分离如果是可控的话，产生的涡流导致机翼上方的低压区，形成涡升力，问题是当时的主流气动理论做不到可控涡升力。一般认为这奠定了“协和”式的设计理念，不过这也使得“协和”式在起飞和着陆时需要异常大的迎角，使得可下垂机头成为必要，否则飞行员根本看不见跑道。

  协和式革命性地采用薄前缘大后掠三角翼的涡升力，解决了起飞、着陆速度过高的问题

  这理念毕竟太前卫，英国特地设计了亨德利-佩吉HP.115研究机，用来验证大后掠三角翼的大迎角涡升力概念。试验结果证实了库奇曼和韦伯的理念，简单大后掠三角翼逐步优化，靠近翼根的部分后掠角进一步增加，强化涡升力；靠近翼尖的部分圆滑过渡到极大后掠角，降低翼尖阻力，成为“洋葱头”或者S形前缘三角翼，给“协和”式异乎寻常优美的外形。这也是“协和”式在气动设计上远超于貌似雷同的图-144的主要地方。S形前缘还便利飞机的升力中心与重心的匹配。在飞机设计过程中，材料、结构与发动机的重量变化会使得重心有所移动。普通机翼可以相应前后调整位置来补偿，“协和”式这样大后掠三角翼与机体的对接几乎占飞机全长，就不能靠机翼前后移动来补偿了。S形前缘可以适当延长或缩短翼根或者翼尖极大后掠角的部分，可以在保持机翼的气动设计的大体不影响机翼-机体对接结构的情况下满足升力中心和重心匹配的要求。

  在RAE，库奇曼还研究高亚音速飞机的超临界翼型问题。超音速飞行油耗太大，高亚音速是在不引起激波阻力情况下能达到的最高航速，但实际上在隆起的局部还是能达到超音速的，比如机翼上表面。机翼是通过大弯度上表面对气流加速、上下翼面形成气流速度差产生升力的，这样在高亚音速飞行时，机翼上表面气流已经超过音速，使得阻力激增。NASA的惠特康姆和RAE的库奇曼独立地分别提出后加载概念，提出全新的超临界翼概念。超临界翼采用肥厚的前缘，促使气流附着上下翼面，上翼面相对平坦，减少加速，推迟激波的产生；下表面前半段也相对平坦，但后半段向上挖空，然后在机翼后缘位置像襟翼一样形成向下弯曲的薄片，使得下表面气流贴附流动到后半段时，得到加速并向下“抛射”，同时带动上表面的贴附气流，产生升力。后加载使得激波推迟产生，强度也较低。超临界翼型已经成为现代客机的必用技术，英国也因为屠龙绝技而在机翼气动设计方面在欧洲领先。

  库奇曼还大力推动升力体概念，抛弃用机翼产生升力的传统理念，比飞翼更激进，直接以机体作为产生升力的主要手段。但这个理念太超前，近半个世纪后的波音X-48才首先实现翼身融合升力体的理念，但依然不是纯升力体，离商业应用更是还有很长距离。不过升力体概念可能在高超音速飞机上更早实现，机翼用于高超音速飞行的阻力太大，像冲浪一样“踩着”激波锋面的乘波体可能 更适合，而乘波体是升力体概念的进一步发展。

  库奇曼在1971年从RAE的行政领导位置退下来，好集中精力主持欧洲超音速风洞的建设，但他没有看到风洞完成的那一天。库奇曼的遗作《飞机气动设计》成为现代经典。库奇曼还是专业水平的大提琴手，1946年起就在范保罗交响乐队担任大提琴手，后来成为首席大提琴，一直拉到1971年。库奇曼在1976年去世。

  库奇曼对空气动力学具有特别的直觉和敏感，善于捕捉和理解三维空间里的复杂现象，善于定性分析和提出概念，但不喜欢数学。他的搭档乔安娜o韦伯是数学家出生，特别善于把库奇曼的奇思妙想用严谨的数学抽象出来，转化为坚实的理论和方法、工具。韦伯为人羞怯，不善表达；库奇曼正好相反，能言善辩，善于说服。两人的珠联璧合造就了“协和双杰”。

  乔安娜o韦伯（Johanna Weber）也是德国人，1910年8月8日在杜塞尔多夫的贫穷农民家庭出生。父亲在一战中阵亡，所以韦伯有政府助学金，得以进教会学校读书。1929年，她进入科隆大学读化学和数学，一年后转学到哥廷根大学，学业优秀，1935年获得博士学位并以一等奖毕业，然后去进修两年师范，想做老师。但她不愿加入纳粹党，所以不能当老师，为了养家，她决定去军工行业找工作，家里还有母亲和妹妹要抚养。1937年，她在离杜塞尔多夫不远的埃森的军工大王克虏伯公司找到一份弹道研究的工作，用手摇的机械计算机计算数值积分和简单的弹道数据。1939年，同事根据一份工程技术杂志上的招聘广告去应聘哥廷根大学的空气动力研究所。韦伯对克虏伯的工作很失望，于是也去应聘，尽管她对空气动力学一窍不通。就这样，韦伯来到了哥廷根，普朗特已经离任，阿尔伯特o贝茨领军，他派韦伯去从事风洞数据校核与处理，从这里开始，学习空气动力学。这恰好是哥廷根的奥秘所在：把严格的数学与风洞研究相结合，而不是拘泥于实验派或者数学派。她的任务是用数学方法描述涡流的产生和发育，而此前空气动力学界缺乏合适的数学工具，只能用数学奇点来粗略地描述涡流的作用。她在这里遇到库奇曼。

  库奇曼在设计喷气发动机进气口的时候，也遇到涡流问题。两人一拍即合，库奇曼负责定性分析和建立研究方向，韦伯负责风洞实验和定量分析。此后，两人富有成果的合作延续了一辈子。

  哥廷根是美军在行进中就占领的，没有经过战斗就拿下了。但在战后重划占领区时，划入英军占领区。英军当局命令哥廷根空气动力研究所的人把历年工作汇编成册，翻译成英文，库奇曼和韦伯的部分后来成为《推进系统空气动力学》的基础。这一期间，美军在占领区大肆收罗德国科学家，弄到美国去，英国也不落后，约50名德国科学家来到RAE，尽管其中很多以后前往美国，或者回到德国。布斯曼就是先到RAE，然后在1947年才去美国的。

  1946年库奇曼到RAE后，马上鼓动韦伯也过去，韦伯在1947年加入了RAE的低速风洞组。韦伯是前往英国的德国科学家中唯一的女性，很可能也是所有“被俘德国科学家”中唯一的女性。库奇曼对韦伯非常器重，在英国新老板面前把她说得天花乱坠，她第一天上班的时候，新的英国上司一见面就说：“Oh, the myth has become a Miss”（哦，原来传奇是个女的啊），弄得本来就生性羞怯的韦伯很窘。这时库奇曼和韦伯在技术上还是敌侨，有一段时间甚至不能在英国国内自由旅行，而且只能每6个月延续一次合同，直到1953年两人加入英国国籍，转正成永久职位。

  战后到50年代中是核武器至上的年代，英国急切研制作为主要核打击手段的远程喷气轰炸机，这就是亨德利-佩吉“胜利者”。库奇曼和韦伯都参加了研制的理论阶段，机翼后缘的“库奇曼的胡萝卜”最终成为减阻和航程达标的关键，这是在惠特康姆尚未发表面积律的1947年。“胜利者”的翼根进气口的气动计算十分复杂，需要考虑机翼、机体和发动机进气的交互作用，使用的也是库奇曼和韦伯在战时对进气口的研究成果。这也是还没有电子计算机的年代，韦伯的线性化简化方程都还需要一班妇女用手摇计算机人工计算。

  VC-10不仅采用“库奇曼胡萝卜”，还采用“库奇曼翼尖”，其实这是韦伯提出的翼尖修形，后来成为50-70年代英国客机的特征

  蒙克的薄翼型理论把机翼厚度与迎角对升力的影响相分离，机翼被简化为没有厚度的薄片。但在50年代，韦伯发展了更严格的理论模型，把机翼厚度、弯度、扭转、后掠角一并考虑，进行更精确的压力分布计算。更重要的是，通过逆计算，可以指定理想压力分布，计算最优机翼形状。维克斯飞机公司VC-10客机的机翼设计就是这样导出的，这是那个时代最先进的翼型。后期VC-10还采用了“库奇曼翼尖”。经典机翼理论是基于无限翼展的，但实际机翼翼展总是有限的，机翼-机体结合部和翼尖的处理对于机翼升力-阻力特性有很大影响。最初的VC-10采用简单的截梢翼尖，韦伯提出将翼尖前缘修圆，改善翼尖压力分布，降低阻力，并在理论计算和风洞试验中验证了效果。但按照惯例，这是库奇曼去推销的，最后被俗称为库奇曼翼尖。这个圆弧翼尖后来成为50-70年代英国飞机的特征，比如“三叉戟”和BAC-111客机。这倒不是库奇曼贪天功为己有，而是那个不认可妇女科学成就年代的原因，而且库奇曼的名气也确实比韦伯大得多。库奇曼后来在书中特意说明，这个概念来自韦伯。

  韦伯还在同时研究超音速飞行时的升力问题，用她对涡升力的计算的功力与库奇曼共同提出大后掠三角翼在低速飞行时用大迎角涡升力增升的全新理念，最终促成了“协和”式的成功。提出全新理念当然很了不起，但更了不起的是用严格的数学方法证明新理念，计算出指导工程设计的理论依据。韦伯的理论计算有两大贡献：

  1、 计算大后掠三角翼与细长机体的组合的超音速阻力，这是发动机推力和巡航经济性计算的基础。

  2、 计算给定速度和迎角下机翼形状对涡流形成位置的影响，在巡航条件下要确保气流附着机翼而没有分离，在大迎角情况下则要确保只有机翼上方形成涡流，而不是上下同时形成涡流。

  韦伯对超音速空气动力学的计算工具对高亚音速飞行同样有效，机翼上表面，翼根鼓包等突出局部在高亚音速飞行中能够达到局部超音速。韦伯建立了三维计算方法，并应用于空客A300的设计计算。韦伯的计算工具也对A300的超临界翼设计起关键作用。低阻高升力机翼使得双发宽体成为可能，但由于成见和习惯势力，A300推出后很久都卖不动，直到有一天美国东方航空公司发现一架租赁的A300在验收试飞中竟然比洛克希德L-1011“三星”要省油30%，才一气订购23架。此后空客攻城略地，当年的主要竞争对手洛克希德和麦道则被打出了民航市场，大型客机成为如今的空客、波音割据局面。在2004-2013的10年里，空客接到8933架飞机订单，交付4824架飞机，而波音在同期只接到8428架订单，交付4458架。考虑到波音在民航世界里从波音707就开始的强势，这是了不起的成就。韦伯也是谦逊的人。她本人没直接参加A300的机翼计算，所以她坚决否认她对空客的成功有作用，但她的计算工具是空客成功的关键。就客机的气动设计而言，除了低油耗发动机外，高升低阻的机翼是最大的关键，这也是霍克-西德利（后并入英宇航）即使在英国政府退出空客之后依然自费坚持的原因，这样的领先领域不能放弃。

  韦伯在RAE最终升任高级首席科学家，1975年退休，但RAE还是回聘请她担任咨询。库奇曼去世后，她在坚决拒绝署名的情况下帮助在1978年把库奇曼的遗作《飞机气动设计》付诸出版，尽管其中有很多是她的贡献。此后她是真退休了。退休后，韦伯对心理学和地理学感上了兴趣，回到大学选课，后来因为耳朵不好而退学了。很多年后还后悔退学早了，只好自嘲：“没想到我能活这么久啊。”

  韦伯是为了供养母亲和妹妹而进入军工行业的，她一生未婚，也供养了母亲和活泼可人但久病缠身的妹妹一辈子，到了英国后一直不断向家里寄钱。她其实是想回德国与母亲和妹妹在一起的，但英国人的好客最终促使她留下了，RAE的高工资也是还在废墟中的德国不能相比的。其实英国人不以好客著称，但英国人以识货著称，早就认识到韦伯的学识和把她留下的巨大价值。

  韦伯刚到英国的时候，住在RAE的宿舍里，后来搬家和韦伯作隔壁邻居，尽管到银行借贷买房子还花了一点周折，因为那时的银行不大愿意借贷给单身女子。韦伯在这里一直住到2010年，与库奇曼一家是终生挚友，韦伯与库奇曼的妻子海尔嘉在哥廷根就熟识，她看着库奇曼的孩子们长大，甚至和库奇曼夫妇的父母也熟识，库奇曼的孩子们叫她Tente Jo，Tente是德文中对年长女性既亲切有尊敬的老派称呼，Jo则是Johanna的昵称。2010年100岁的时候搬到养老院，2014年10月24日在养老院去世，终年104岁。

  直到今天，英国依然主导空客的机翼设计，设计水平至少不低于世界上唯一的竞争对手波音。在A300/310之后，A320和A330/340的机翼设计在英国和德国团队之间竞赛，最后都是装上飞机实际对比试飞后决定，两次都是英国团队获胜。A380和A350XWB未经竞赛就决定使用英国设计。这是对英国的机翼设计能力的肯定。库奇曼和韦伯在40-70年代的工作奠定了今日英国的机翼气动设计基础，当年在韦伯手下摇手摇计算机的一些人后来成为数值和计算机辅助设计时代的大师。

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