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超音速客机之争——壮志难酬的图-144（上）

2015-03-28 10:10阅读：

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冷战期间，苏联在外交、军事、经济、科技等各方面都与西方展开明争暗斗，当英法联手研制“协和”超音速客机的消息传来，苏联人自然也按捺不住，于是一场事关国际形象的高技术竞争大戏上演了……


超音速客机之争——壮志难酬的图-144（上）
设计师图波列夫父子与试飞机组在图-144原型机前合影。




快马加鞭迎挑战
苏联领导人赫鲁晓夫曾提出，社会主义国家应在若干科技领域超越资本主义国家，以遏制帝国主义的扩张。而1962年底英法两国签署“协和”合作计划，无疑就像下了一道战书，加上美国也在紧锣密鼓地推动同类项目，促使苏联政府作出尽快上马超音速客机并抢在对手之前升空的决定。其实早在多年前，苏联的航空科研机构已经开始探讨这方面的可行性，包括从超音速战略轰炸机派生出民用机型。对于横跨欧亚、幅员辽阔的苏联来说，能够显著节省时间的超音速客机也确有其必要性，苏联民航总局估算出用75架这种飞机就可满足国内远程航线的需要。
1963年7月，苏联航空工业部下达了研制超音速客机的指令，主要性能指标与“协和”相近：可搭载121名乘客，巡航时速2.35马赫，航程6500千米。这个重点项目交由以研制大型飞机见长的图波列夫设计局执行，中央流体力学研究所和中央航空动力研究所等机构协助，机型编号定为144，初步预算将是亚音速机型的3倍。图波列夫设计局的掌门人安德烈·图波列夫此时年事已高，在他指导下由其儿子、对高速飞行器富有经验的阿列克谢出任项目负责人，组织精兵强将展开研制工作。面对这样一个前所未有的挑战，设计者们需要与其它科研和生产部门紧密合作，攻克一系列技术难关。
首先是确定飞机的气动布局，既要达到高速战机那样的飞行性能，又要满足客运的需要。经过大量的理论计算和模型风洞试验，图-144的外形方案定为细长机身配以双三角形机翼，前缘内侧后掠角为78°，外侧后掠角为55°，以适应跨音速飞行的要求。为了验证这一设计，还将一架时速可达两马赫的米格-21战斗机改装上这种翼型进行试飞。而机尾上方是大三角形垂尾，不设水平尾翼。圆形机身直径3.4米，乘客舱长26.5米，宽3.05米，走道高2.16米，每排座位为3 2布置，最多可容纳126人。
其次是要解决高速飞行时带来的机体过热和变形等不利影响。这要求对机身和机翼内外进行结构强化，重点部位采用以钛合金为主的耐高温材料，以及经过特殊处理的铝合金蒙皮。此外还要对飞机整体设计进行优化，研制适用的润滑、紧固和密封等材料和装配工艺，并配备具有增压、调温和输氧等功能的舱内环境控制系统。


超音速客机之争——壮志难酬的图-144（上） 图-144原型机的设计草图。
同样重要的还有动力装置。库兹涅佐夫设计局专门研制了带有加力燃烧室的NK-144涡轮风扇发动机，单台推力最大172千牛。4台发动机集中安装在机腹后下方，每两台共用一个矩形进气口，尾喷口与机翼后缘齐平。而机翼和机身内可储存8.75万升燃油，这样整机满载起飞重量约为130吨。考虑到技术难度，早期型号的航程定为4500千米，之后再改进到6500千米。
此外，图-144长长的锥形机鼻可在起降阶段下垂12°，便于飞行员观察地面情况，进入巡航飞行时再恢复原状。驾驶舱内安排由正副驾驶员和飞行工程师组成的三人机组，所有控制系统都有多重冗余设计，出现问题可自动切换。该机采用前三点式起落架，前起落架为很高的V形双轮结构，左右翼下的主起落架则采用纵向3排机轮。
按照这一设计方案制作的图-144模型在1965年的巴黎航展上一经公开，立即成为备受关注的焦点。这个机身编号65000、长1.22米的模型不仅展示了独特的外观布局，也曝光了机舱的内部设置。苏联人还高调宣布图-144将在3年后开始试飞，这无疑让西方同行感到了莫大的压力。


呼啸九霄现真容
把漂亮的模型变成能飞的实物并非易事，图波列夫的研制团队一边继续完善设计，一边着手将图纸转化为产品。第一架投入生产的图-144属于原型机，主体部分由莫斯科附近的图波列夫试制工厂负责，来自其它协作单位的各种零部件和配套设备也陆续运抵这里进行组装和调试。按计划该机应在1967年内完工，但技术上的复杂性不可避免地造成延误，到次年10月才运抵茹科夫斯基试飞中心实施总装和地面测试，并赶在1968年结束前完成了试飞准备工作。12月31日，在那架改装过的米格-21I战斗机陪伴下，这架民航注册号为68001的原型机昂首冲上了蓝天。同机的有以试飞员爱德华·伊林为首的三人机组和试飞主管本德罗夫，为安全起见还给他们配备了弹射座椅。图-144的处女航历时37分钟，比“协和”的首次升空要早两个月零两天，在这场东西方竞赛中先拿到一分。


超音速客机之争——壮志难酬的图-144（上） 在米格-21I的伴飞下，图-144抢在“协和”之前投入试飞。
1969年5月21日，68001号机现身莫斯科的谢列梅捷沃机场，让公众得以一睹其真容。6月5日，这架图-144在11000米高度首次突破音障，并于次年5月26日在16300米高度飞出2.0马赫的时速，不到一个月后又提高至2.3马赫，这些纪录也比“协和”领先了一步。此后，它开始试飞国外航线，往返于莫斯科与多个东欧国家首都之间，并在1971年5月底间大驾光临当年的巴黎航展。
不出意外的是，图-144与“协和”之间的比较早就成为热点话题。北约组织给图-144选的代号是还算好听的“战马”（Charger，以C开头代表运输机），但西方媒体却称之为“协和斯基”，言下之意图波列夫不过是抄袭了对手的创意，而苏联驻英法两国的一些外交和商务人员曾因涉嫌窃取“协和”图纸被驱逐出境的事件也助长了这种说法。然而客观来说，在同样的技术条件下、根据同样的目的和理念设计出来的机型自然存在诸多类似之处，这样的例子在航空史上比比皆是，连美国正在研究的超音速客机也跟“协和”大同小异。况且设计师都会通过各种渠道了解和评估别人的成果，权衡利弊后才形成自己的方案。
内行人其实不难看出图-144与“协和”的明显区别，如前者的机翼是双三角形，后者的是S形前缘三角翼。图-144的体形稍大些，翼下发动机舱贴近机腹，而“协和”的发动机安装在更靠外的位置，这些都会对气动特性造成不同影响。两者在操控系统、座舱设置和内部设备等方面也有很多差异。不过图-144虽然抢得了一定的先机，但通过试飞也暴露出自己的“短板”。除了一些部件存在可靠性问题外，更严重的是阻力大、油耗高，航程只有3000千米，远低于设计指标。还有就是着陆速度偏高，以至于落地时要施放阻力伞减速，这在军用飞机很常见，却会给民用机场带来不少麻烦。
研制团队已经预见到这类问题，在原型机试飞前就启动了改进计划。一方面优化翼型，后掠角分别改成76°和57°，扩大翼展和机翼面积，同时把机身加长6.3米以增加载客量到150人；另一方面换用推力更大、油耗更低的NK-144F发动机，并重新设计翼下发动机舱，两组发动机的安装位置也分得更开，以提高动力效率。最引人注目的是在机头驾驶舱后方加装了一对可伸缩的条状小翼，在起降时伸出用于改善低速性能，到巡航飞行时再收入机身内。其鼻锥、垂尾、升降舵等部分也做了相应调整，翼下主起落架改为8轮小车式……此外，机体的结构、材料和安装工艺都进行了改进，燃油储量增加到11.8万升，起飞重量也达到190吨。
经过一系列的重大改造，第二架图-144变成了图-144S，注册号77101，作为预生产型从1971年6月1日开始试飞，在不同飞行条件下对机上各个系统进行检验。图波列夫设计局还另外制作了两具机体用于地面静态测试，根据结果再对将要批量生产的图-144S做出后续改动。遗憾的是，1972年12月23日，84岁的一代宗师老图波列夫与世长辞，没能看到图-144正式服役的那一天。此时图-144S已经转由沃罗涅日飞机制造厂组装，所有人都期待着下一年它们就能投入运营。（待续）


超音速客机之争——壮志难酬的图-144（上） 生产线上正在组装的图-144机身。


超音速客机之争——壮志难酬的图-144（上）生产型的图-144多出了一对被戏称为“兔子耳朵”的可伸缩小翼。
原文刊登于《航空知识》2013年09期

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