導(dǎo)語：《飛機(jī)的賬本》系列。每一個(gè)設(shè)計(jì)背后，都有人在付賬。從這一期開始，我們拆協(xié)和號(hào)。這架飛機(jī)值得用好幾期來講——它的進(jìn)氣道、熱力系統(tǒng)、材料極限、以及最后那場(chǎng)空難，每一個(gè)切口都是一本獨(dú)立的賬。本期是第一篇：進(jìn)氣道。

協(xié)和號(hào)機(jī)腹下方的雙聯(lián)進(jìn)氣道。真正讓它飛上2馬赫的，不只是發(fā)動(dòng)機(jī)。

協(xié)和號(hào)在2馬赫巡航時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)對(duì)凈推力的貢獻(xiàn)大約是8%。

不是80%，是8%。剩下那92%的力，來自一根3米多長的管子，和管子尾端的噴管。

這根管子不燒油，也不轉(zhuǎn)葉片，里面沒有任何旋轉(zhuǎn)部件。但在兩倍音速的條件下，它是整架飛機(jī)真正的動(dòng)力主角。它叫進(jìn)氣道。這一期拆的就是它。

01

一臺(tái)不太對(duì)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)

先看參數(shù)。協(xié)和號(hào)用的發(fā)動(dòng)機(jī)叫奧林帕斯593 Mk 610，羅爾斯·羅伊斯和法國斯奈克瑪聯(lián)合研制。

• 類型：純渦輪噴氣（涵道比為零）

• 壓氣機(jī)：14級(jí)軸流式（低壓7級(jí) + 高壓7級(jí)）

• 渦輪：?jiǎn)渭?jí)高壓 + 單級(jí)低壓

• 最大推力（開加力）：169.2 kN（38050磅）

• 最大推力（不開加力）：139.4 kN（31350磅）

• 渦輪前溫度：1450°C

• 自身壓縮比：15.5:1（地面靜態(tài)標(biāo)稱值）

• 進(jìn)氣量：186 kg/s

四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，總推力大約677 kN。

可以推著一架最大起飛重量187噸的飛機(jī)，飛到18000米高空，2馬赫，兩倍音速，大約每小時(shí)2180公里。

參數(shù)看著沒什么問題。但有一個(gè)數(shù)字很奇怪。

涵道比：零。

Olympus 593。沒有大風(fēng)扇，沒有外涵道。協(xié)和號(hào)走的是另一條空氣動(dòng)力學(xué)路線。

今天我們坐的每一架民航客機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)前面都頂著一個(gè)巨大的風(fēng)扇。風(fēng)扇吸進(jìn)來的空氣，大部分其實(shí)沒進(jìn)燃燒室——它們繞過核心，從外面那圈通道（叫涵道）直接往后推出去。

這股沒燒過的冷風(fēng)反而提供了大部分推力，而且非常省油。

繞過去的空氣和進(jìn)入核心的空氣之比，就是涵道比。

舉幾個(gè)例子：波音777的GE90，涵道比9:1，9份空氣繞行，只有1份被燒掉。

波音787的GEnx-1B，約9:1。

空客A350的遄達(dá)XWB，9.6:1。

連波音747-8用的GEnx-2B，也有8:1。

現(xiàn)代民航發(fā)動(dòng)機(jī)，絕大多數(shù)空氣都是“不燒而過”的。

協(xié)和號(hào)的奧林帕斯593，涵道比是零。

沒有外涵道，沒有大風(fēng)扇。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣全部走核心流路，壓縮、燃燒、膨脹，一套熱力循環(huán)走完。這種發(fā)動(dòng)機(jī)叫渦噴，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)稱。

這在今天看起來是瘋了。

渦扇（帶外涵道的）比渦噴省油得多，這是航空工程半個(gè)世紀(jì)以來的共識(shí)。

但是協(xié)和號(hào)的工程師做了一個(gè)很干脆的取舍：渦扇的大風(fēng)扇意味著大迎風(fēng)面積。在亞音速，這不是問題。在2馬赫，迎風(fēng)面積每大一分，阻力就大一分。渦噴沒有外涵道，截面積小，迎風(fēng)阻力最低。所以協(xié)和號(hào)選了渦噴，但渦噴有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，它處理不了超音速的進(jìn)氣。

02

一個(gè)吃不了快餐的胃

發(fā)動(dòng)機(jī)最前面是壓氣機(jī)，一組高速旋轉(zhuǎn)的葉片盤，職責(zé)是把吸進(jìn)來的空氣一級(jí)一級(jí)壓縮到很高的密度，然后送進(jìn)燃燒室點(diǎn)火。

每一片壓氣機(jī)葉片，本質(zhì)上就是一片微型機(jī)翼，靠氣流的攻角產(chǎn)生壓縮力。

問題是：當(dāng)進(jìn)氣速度超過音速，葉片前緣會(huì)產(chǎn)生激波——空氣在超音速下被猛烈壓縮時(shí)形成的一道極薄的高壓面，類似水面上快艇劈開的那道尖銳波浪，只不過發(fā)生在空氣中。

激波會(huì)導(dǎo)致氣流在葉片表面劇烈分離，壓縮力崩塌，壓氣機(jī)會(huì)失速。

直白一點(diǎn)講：我們往一個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇里硬灌超音速的風(fēng)，風(fēng)扇不會(huì)轉(zhuǎn)得更快，它會(huì)被嗆死。這就是所有超音速飛機(jī)面臨的根本矛盾，飛機(jī)在2馬赫飛，但發(fā)動(dòng)機(jī)只能吃0.5馬赫的空氣。中間差了4倍的速度，誰來減速？進(jìn)氣道。

協(xié)和號(hào)進(jìn)氣道工作示意。空氣在這里被激波逐級(jí)減速，從2馬赫降到發(fā)動(dòng)機(jī)能接受的范圍。

03

用激波當(dāng)剎車

這不是協(xié)和號(hào)獨(dú)有的挑戰(zhàn)。

所有超音速飛機(jī)都要解決同一道題：怎么把超音速空氣減到發(fā)動(dòng)機(jī)能接受的速度。

冷戰(zhàn)時(shí)期的戰(zhàn)斗機(jī)各有各的解法。米格-21的機(jī)頭有一個(gè)可以前后移動(dòng)的錐體，叫激波錐，靠錐面在空氣中制造斜激波，把進(jìn)氣速度壓下來。

F-15的進(jìn)氣口里裝了一套可調(diào)斜板，原理和協(xié)和號(hào)接近。

但是飛得最快的有人駕駛飛機(jī)SR-71黑鳥，進(jìn)氣道里有一根可以縱向滑動(dòng)的尖錐，在3.2馬赫時(shí)向后縮進(jìn)約66厘米來精確控制激波位置。在那個(gè)速度下，SR-71發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的推力貢獻(xiàn)只有大約17%到20%，進(jìn)氣道和尾噴管系統(tǒng)拿走了剩下的全部。

SR-71 的可調(diào)進(jìn)氣錐。在3馬赫時(shí)代，進(jìn)氣道的重要性甚至超過發(fā)動(dòng)機(jī)本身。

規(guī)律很清楚：飛得越快，進(jìn)氣道越重要，發(fā)動(dòng)機(jī)越退居幕后。

協(xié)和號(hào)飛2馬赫，進(jìn)氣道貢獻(xiàn)是63%。SR-71飛3.2馬赫，進(jìn)氣道貢獻(xiàn)更高。到了完全不需要發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣道就是一切。

協(xié)和號(hào)的進(jìn)氣道是一根長約3.5米的方形管道，安裝在機(jī)翼下方，每側(cè)兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共用一個(gè)雙聯(lián)進(jìn)氣道。

管道頂部有兩塊可以上下活動(dòng)的斜板，分別是前斜板和后斜板。底部有一扇可以開合的門，叫溢流門。

就這三個(gè)可動(dòng)部件。里面沒有任何旋轉(zhuǎn)的東西，不燒一滴油，連一片葉片都沒有。但是這套系統(tǒng)在2馬赫巡航時(shí)，貢獻(xiàn)了整架飛機(jī)63%的凈推力。它的工作原理，是用激波當(dāng)剎車。

當(dāng)飛機(jī)低于1.3馬赫時(shí)，兩塊斜板完全收平，進(jìn)氣道就是一根普通的管子。當(dāng)速度超過1.3馬赫，斜板開始向下傾斜。傾斜的斜板在氣流中制造出一系列斜激波。

前面說過，激波是空氣被猛烈壓縮時(shí)形成的高壓面。"斜"激波的意思是這道壓力面和氣流方向之間有一個(gè)夾角，不是正面硬擋，空氣穿過它的時(shí)候速度會(huì)下降一級(jí)，壓力會(huì)升高一級(jí)，但不至于一次性被堵死。

為什么不用和氣流正面垂直的"正激波"一步到位？因?yàn)檎げm然減速猛，但能量損失太大，大量動(dòng)能會(huì)被轉(zhuǎn)化成廢熱白白散掉。

協(xié)和號(hào)沒有選擇“一腳急剎”，而是用多道斜激波逐級(jí)減速，盡可能保住壓力和能量。

斜激波則溫和得多，每道波都只減一點(diǎn)速，但保留住的壓力更多，散掉的能量更少。用多道斜激波梯級(jí)減速，就像下樓梯一樣，一步一步地走，比直接跳下去安全得多。

通過精確控制兩塊斜板的角度，系統(tǒng)讓這些斜激波精準(zhǔn)交匯在進(jìn)氣口的下沿。氣流穿過這一連串斜激波之后，速度可以從2馬赫降到1.2馬赫左右。

然后，在第一級(jí)斜板末端的管道內(nèi)部，形成最后一道終結(jié)正激波，這一道是正面垂直攔截的，一錘定音，把空氣速度從超音速直接拽到亞音速。

最后一段路：亞音速的空氣進(jìn)入一段截面積逐漸擴(kuò)大的管道。根據(jù)流體力學(xué)基本定律，亞音速氣流在擴(kuò)張管道中減速增壓，空氣在這里進(jìn)一步平滑減速，從大約0.9馬赫降到0.5馬赫，壓力達(dá)到峰值。

現(xiàn)在的0.5馬赫，發(fā)動(dòng)機(jī)能吃下了。

整個(gè)過程耗時(shí)不到0.1秒。從2馬赫到0.5馬赫，空氣在三米多長的管道里完成了四倍的減速。

沒有任何運(yùn)動(dòng)部件參與減速本身，激波是純粹的物理現(xiàn)象，不需要能量輸入，不會(huì)磨損，也不會(huì)疲勞。

代價(jià)是什么？溫度。

每一道激波都在把動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，空氣在被減速的同時(shí)溫度急劇攀升。到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)入口時(shí)，空氣已經(jīng)被壓縮、加熱到了遠(yuǎn)高于外界大氣的溫度和壓力。

這是協(xié)和號(hào)熱力噩夢(mèng)的源頭之一。但這個(gè)賬，我們留到下一篇再來算。

04

63%

現(xiàn)在解釋那個(gè)數(shù)字。在2馬赫巡航時(shí)，協(xié)和號(hào)的推力分配是這樣的：

• 進(jìn)氣道：63%

• 排氣尾噴管：29%

• 發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)：8%

發(fā)動(dòng)機(jī)只貢獻(xiàn)了8%。

物理原理也并不復(fù)雜：進(jìn)氣道在減速氣流的過程中，空氣被極度的壓縮。在管道的后半段（亞音速擴(kuò)散區(qū)），超高壓的空氣推在向前傾斜的管壁內(nèi)表面上，產(chǎn)生了巨大的向前作用力。

管道前半段（超音速收縮區(qū)）的空氣則對(duì)管壁施加向后的力。兩者相減之后，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)本身承受了一個(gè)巨大的向前凈推力。

這個(gè)凈推力，占了總推力的63%。

發(fā)動(dòng)機(jī)也當(dāng)然在出力。所有能量的源頭仍然是燃油燃燒，進(jìn)氣道不會(huì)憑空變出能量。但在這個(gè)速度下，推力作為結(jié)構(gòu)受力，主要是在進(jìn)氣道和噴管的壓力場(chǎng)里兌現(xiàn)的。

發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的角色更像整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的心臟泵，不是肌肉組織這些。它維持氣流持續(xù)通過進(jìn)氣道，保證循環(huán)不停轉(zhuǎn)。進(jìn)氣道才是真正的肌肉。

換一種說法：在2馬赫時(shí)，如果還把協(xié)和號(hào)的動(dòng)力理解為"四臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推著飛機(jī)跑"，就差得太遠(yuǎn)了。

它更接近沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作邏輯，一種沒有任何旋轉(zhuǎn)部件、純粹靠飛行速度把空氣"撞"進(jìn)管道、靠管道形狀壓縮空氣、再噴射能量加速排出的推進(jìn)器。協(xié)和號(hào)的奧林帕斯593在這個(gè)速度區(qū)間的角色，就是在沖壓循環(huán)的中間加了一把火，讓氣流不停地通過這根管子。

這就是為什么涵道比為零的渦噴在2馬赫時(shí)反而高效，在這個(gè)速度區(qū)間，單看核心機(jī)本身已經(jīng)解釋不了協(xié)和號(hào)的效率。關(guān)鍵的是整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的壓力恢復(fù)效率，尤其是進(jìn)氣道，協(xié)和號(hào)的進(jìn)氣道在2馬赫時(shí)實(shí)現(xiàn)了7.3:1的沖壓壓力恢復(fù)比。

7.3:1的沖壓，乘以發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航工況下約11.3:1的實(shí)際壓縮比（比地面標(biāo)稱的15.5:1低，因?yàn)楦呖崭咚俟r下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)不一樣），總壓比達(dá)到了82:1。

82:1又是什么概念？今天最先進(jìn)的民航發(fā)動(dòng)機(jī)之一，GE9X的總壓比大約在60:1量級(jí)，主要靠風(fēng)扇和壓氣機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械壓縮。協(xié)和號(hào)先靠進(jìn)氣道拿到7.3:1的沖壓壓縮，再疊加發(fā)動(dòng)機(jī)自身的壓縮，總壓比直接推到了82:1。

如果我們開過帶渦輪增壓的車，可以這樣理解：汽車的渦輪增壓器靠一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的渦輪把空氣預(yù)先壓縮，再喂給發(fā)動(dòng)機(jī)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在排量不變的情況下榨出更多的動(dòng)力。

協(xié)和號(hào)的進(jìn)氣道干的是同一類事，在空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)之前先把它壓縮好，只不過它不用渦輪，用的是激波。這里的能量來源也不一樣，渦輪增壓器靠廢氣驅(qū)動(dòng)，進(jìn)氣道靠的是飛機(jī)自身的飛行速度。但本質(zhì)都是同一件事：先壓后燒。

這套推進(jìn)系統(tǒng)的整體熱效率達(dá)到了43%。放在1969年首飛的飛機(jī)上，這個(gè)數(shù)據(jù)至今仍然讓人覺得不真實(shí)。

05

當(dāng)管子出了問題

進(jìn)氣道越精密，失效越恐怖。正常工作時(shí)，斜板角度、激波位置、氣流速度三者之間處于精確的動(dòng)態(tài)平衡中。

一臺(tái)數(shù)字式進(jìn)氣道控制單元（AICU）——在當(dāng)年屬于非常前沿的數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)氣道壓力比、飛行馬赫數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、飛機(jī)迎角以及斜板的實(shí)際位置，持續(xù)高頻修正斜板角度，把它控制在最優(yōu)區(qū)間。

這套平衡被打破的后果叫喘振，英文叫Surge，我們可以理解為發(fā)動(dòng)機(jī)"被嗆住了"。喘振發(fā)生時(shí)，進(jìn)氣道內(nèi)的激波系統(tǒng)在毫秒之內(nèi)崩潰。壓氣機(jī)前方的氣壓瞬間失衡，空氣倒流，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出一聲巨響，像用鐵錘砸了一下金屬做的桶，然后瞬間喪失掉推力。

但是協(xié)和號(hào)的喘振還有一個(gè)更可怕的特性：連鎖喘振，英文叫sympathetic surge。

這個(gè)英文名很有意思。sympathetic，字面意思是"同情的"，聽上去溫和、甚至有點(diǎn)擬人化，好像隔壁的發(fā)動(dòng)機(jī)出于"同情"跟著一起出了問題。但是實(shí)際發(fā)生的事情跟同情沒有半毛錢關(guān)系。同一側(cè)的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)緊緊挨在一起，共享一個(gè)雙聯(lián)短艙。在1.6馬赫以上，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振噴出的壓力脈沖會(huì)直接擾亂隔壁那臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣，導(dǎo)致它跟著喘振。一臺(tái)出事，兩臺(tái)一起癱。這不是字面上的"同情"，是物理規(guī)則上的強(qiáng)制傳染。

激波位置、壓力場(chǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量，必須始終維持在脆弱的動(dòng)態(tài)平衡里。

航空工程里有大量這種術(shù)語，英文乍一眼看上去人畜無害，但如果沒有扎實(shí)的工程背景和上下文，光看字面根本不知道它在說什么，甚至?xí)耆喾吹姆较蚶斫狻＿@也是為什么這個(gè)行業(yè)的門檻，從來不在于記住了多少個(gè)單詞，而在于我們是否真正理解每個(gè)詞每句話背后那套真正的物理意義。

還有更要命的是氣動(dòng)后果：喘振或熄火會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣道溢流門迅速大開向下排氣。這股突然改變方向的氣流會(huì)改變機(jī)翼上方的升力分布，會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)向熄火發(fā)動(dòng)機(jī)的反方向發(fā)生側(cè)傾和偏航。

在18000米的高空，2馬赫的速度下，飛機(jī)突然失去一側(cè)兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，同時(shí)向另一側(cè)猛烈翻滾，這就是飛行員在模擬器里反復(fù)訓(xùn)練的場(chǎng)景。

1971年的一次試飛中，發(fā)動(dòng)機(jī)喘振導(dǎo)致進(jìn)氣道斜板脫落，打壞了發(fā)動(dòng)機(jī)。飛機(jī)安全著陸了。這次事故直接推動(dòng)了AICU控制系統(tǒng)的全面升級(jí)。

1979年華盛頓杜勒斯機(jī)場(chǎng)，一架協(xié)和號(hào)起飛時(shí)輪胎爆裂，碎片被吸入2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，壓氣機(jī)失速喘振。飛機(jī)帶傷飛回來了。

2000年巴黎戈內(nèi)斯。碎片、燃油、大火和發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失連在了一起。飛機(jī)沒能回來。那場(chǎng)災(zāi)難的因果鏈比人們以為的更復(fù)雜。詳細(xì)的賬本，留到后面再算。

06

關(guān)閉加力燃燒室之后，才是真正意義的巡航

奧林帕斯593有加力燃燒室，在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后面再噴一次燃油點(diǎn)火，用額外的燃燒換取短時(shí)間內(nèi)的推力陡增，代價(jià)是油耗飆升。

起飛時(shí)開，跨音速加速時(shí)也開，可以從0.96馬赫推到1.7馬赫，這個(gè)過程空氣阻力最大，需要額外20%的推力硬頂過去。但在1.7馬赫之后，加力燃燒室會(huì)關(guān)閉。

加力燃燒室關(guān)閉之后，協(xié)和號(hào)不但沒有減速，反而穩(wěn)定在了2馬赫的巡航速度。這就是所謂超音速巡航（Supercruise）。

加力燃燒室關(guān)閉之后，協(xié)和號(hào)才真正進(jìn)入最擅長的速度區(qū)間。

原理回到了進(jìn)氣道：當(dāng)速度達(dá)到1.7馬赫，進(jìn)氣道的沖壓效應(yīng)已經(jīng)足夠強(qiáng)大，7.3:1的壓力恢復(fù)加上發(fā)動(dòng)機(jī)自身的壓縮，總壓比逼近82:1。

在這個(gè)壓比下，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的干推力（不開加力的推力）已經(jīng)足以克服2馬赫的空氣阻力。

加力燃燒室在起飛和跨音速階段是救命的，但在超音速巡航階段是一種累贅，它額外消耗的燃油換來的推力增量，在這個(gè)速度區(qū)間已經(jīng)不劃算了。關(guān)閉加力燃燒室，油耗直降，航程可以拉滿。這是協(xié)和號(hào)能用100噸燃油從倫敦飛到紐約的核心前提。

沒有supercruise，它飛不到一半路程就得落地加油。

協(xié)和號(hào)每小時(shí)燒掉25600升航空燃油，100個(gè)座位，同一條航線上，波音747每小時(shí)燒14400升，但它裝400個(gè)人。

算一筆賬：協(xié)和號(hào)每位乘客每英里消耗的燃油，大約是波音747的4到5倍。

一張倫敦到紐約的協(xié)和號(hào)機(jī)票，最后賣到了12000美元。物理世界贏了每一場(chǎng)戰(zhàn)斗。賬本輸了整場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)。

07

尾聲

協(xié)和號(hào)在2馬赫時(shí)的熱效率是43%。從燃油中提取的化學(xué)能，有43%變成了有用的推進(jìn)在做功。剩下的57%變成了熱能。進(jìn)氣道用激波省下來的每一點(diǎn)效率，最后都變成了溫度，變成了結(jié)構(gòu)壽命，變成了材料的疲勞極限，變成了維修賬單上一行一行的數(shù)字。

不是發(fā)動(dòng)機(jī)不夠猛。不是進(jìn)氣道不夠精密。是協(xié)和號(hào)所用的RR58鋁合金，在127°C以上長期運(yùn)行時(shí)，疲勞壽命會(huì)急劇惡化。是機(jī)身在飛行中會(huì)伸長15到25厘米。是燃油不僅要燒，還要同時(shí)承擔(dān)散熱和配重的功能，一旦燃油系統(tǒng)出問題，三個(gè)功能會(huì)同時(shí)崩潰。

「飛機(jī)的賬本」系列。寫飛機(jī)，不是因?yàn)樗芸帷Ｊ且驗(yàn)樗苜F。貴的不只是錢。飛機(jī)這個(gè)東西，最殘忍的地方就在這里：你可以向物理世界借。但它后面一定會(huì)來收賬。

2馬赫不是免費(fèi)的。速度、溫度、材料壽命和燃油系統(tǒng)，最后都要一起結(jié)賬。

下一篇，繼續(xù)拆協(xié)和號(hào)的熱力牢籠。如果你身邊也有人覺得“發(fā)動(dòng)機(jī)就是飛機(jī)動(dòng)力的全部”，把這篇轉(zhuǎn)給他。點(diǎn)贊、關(guān)注、轉(zhuǎn)發(fā)，下一期協(xié)和號(hào)的熱力賬本繼續(xù)拆。