退役20年至今无人超越：百事可乐给协和号换了个颜色，它只能被迫减速

协和号飞到2马赫时，机头温度127°C。

18000米高空，外面的大气温度是零下57°C。但协和号的蒙皮比一锅刚烧开的水还要烫。

《飞机的账本》系列。每一个设计背后，都有人在付账。上一期拆了协和号的进气道——那根3米长的管子贡献了63%的推力。但进气道每减速一道激波，都在把动能转化成热能。这一期，拆协和号的热力牢笼。

全文硬核长文，建议先点赞收藏，慢慢看。

这个温度不是偶然拍脑袋飞出来的。

127°C是工程师一开始就设计好的极限，整架飞机的速度、材料、寿命，全部压在这一条线上。

协和号2马赫巡航时的典型气动加热分布。机头驻点区域温度最高，可达127°C左右。

127°C，换算成绝对温标，是400开尔文（K）。一个完美的整数。

在工程计算里，整数代表的这是人为设定的极限，不是自然的巧合。

它也意味着协和号的速度上限，不是空气动力学决定的，也不是发动机推力决定的。是由一块铝板决定的。

一、为什么是铝，不是钛

SR-71选择了钛合金路线。协和号没有这个成本和工业条件。

SR-71黑鸟飞3.2马赫，机身温度超过300°C。解决的方案很直接，使用钛合金。

钛的熔点1668°C，耐热性碾压铝合金。

洛克希德当年为了造黑鸟，几乎重新设计发明了整套钛加工工艺，因为当时没有人能大规模加工钛。

那协和号为什么不用钛？

很简单，也很现实，就是用不起，也造不出来。

1960年代，英国飞行器公司（BAC, British Aircraft Corporation）和法国南方航空公司（Sud Aviation），都没有大规模使用钛合金制造机身的冶金经验和加工能力。

钛在当时属于是贵得离谱，又是难以焊接和铆接的材料，每一步工序都比铝合金慢了好几倍。

黑鸟最后只造了32架，那属于是军方不计成本的产物。

协和号既要造出来还要拿出来卖，还要飞上万个航班循环。用钛的造价和维修成本以及生产速度会全部崩盘。

工程师在这里做了一个取舍：放弃使用钛合金，用一种特殊的铝合金——RR58，又叫Hiduminium 2618A。这种合金在纯铝里加了铜、镁、铁和镍，专门强化了高温下的抗蠕变（Creep Resistance）能力。

蠕变这个词听上去专业，其实也很好理解：

我们在大太阳底下放一根蜡烛，蜡烛不会瞬间就融化，但是时间长了它会慢慢的弯下去，期间没有人去折它，它自己就变形了。

金属在高温下也会发生类似的事：

没有增加额外的力，它就是会慢慢走形、拉长。这就是蠕变。抗蠕变，就是抵抗这种"慢慢走形"的能力。

蠕变的英文是creep。这个词日常用的时候是"悄悄溜走、蹑手蹑脚"的意思，用来形容金属在高温下的慢性变形，也非常精准，它不是断裂，不是弯折，是在我们不知不觉间悄悄走形，等我们发现的时候已经晚了。上一期说过sympathetic surge的"同情"不是真的同情。航空工程的英文术语经常这样，字面意思看上去平平无奇，背后的工程现实却足以让人紧张。

不过铝合金再怎么强化，也有一条红线。

RR58的高强度靠的是内部一种微观结构。简单说，合金冶炼时往铝基体里嵌了一层密密麻麻的硬颗粒，就像是往软泥巴里掺碎的小石子，石子越多越细密，泥巴就越难被捏变形。这些硬颗粒卡住金属内部的微观滑动面，阻止金属在受力时发生位移，从而让铝变硬，强度也变高。

但温度一高，这些硬颗粒会因为受热后逐渐变大，冶金学上叫奥斯特瓦尔德熟化。不是每颗都均匀膨胀，而是小颗粒会逐渐溶解掉，物质重新沉积到大颗粒上，有点像大鱼吃小鱼。

高温会逐渐破坏RR58铝合金内部的强化结构。

我们可以想象，原本是一把细沙均匀地撒在管道里去堵住水的流动，但是如果时间久了，细沙会互相黏合，慢慢地聚成了几块大石头。

石头虽然变大了，但之间的缝隙也变大了，水流可以轻松绕过去，是没法堵住的。铝合金内部发生的就是这种现象。

那后果是什么？

铝合金会慢慢开始变软变弱。那具体能承受多大的力才开始永久变形呢，这个临界点工程师叫屈服强度（Yield Strength），"屈服"两个字也很准，金属在这个力面前投降了、不可逆地发生形变了。能拉到多大的力才会被拽断，叫抗拉强度（Tensile Strength），这也降了。抵抗高温蠕变的能力也同样降了。

三项性能同时不可逆地退化。

127°C是为RR58设定的长期服役的温度上限。短时间超过可以撑住，但是如果让RR58在127°C以上长期不断的运行，协和号的设计寿命是45000飞行小时，蠕变、过时效、热疲劳会同时加速，材料的衰退将不可逆转。

所以127°C不是一个保守的安全余量，它是一面无形的墙。

如果再快一点呢？到2.2马赫，机头的驻点温度就会飙升到153°C，会直接越过材料极限，铝合金开始加速老化。

为什么叫"驻点"？因为机头是整架飞机最先撞上空气的地方。迎面飞来的空气在机头尖端被先彻底"刹停"。速度从两倍音速瞬间降到零，所有的动能全部转化为热能。

就像我们全速拍一巴掌，手掌最先接触的那个点最痛也最烫。机头就是协和号的"掌心"，承受了最集中的气动加热。所以机头127°C，而机尾只有大约90°C。

所以协和号的最高速度被锁死在2马赫出头（精确说是马赫2.02）。不是发动机推不动了。是铝板真的顶不住了。

航空航天工业材料选择图

二、一架会"长大"的飞机

18000米高空零下57°C的大气，但是协和号的蒙皮却能被气动加热到127°C。内外温差将近200度。

在这么大的温差下，铝会膨胀。

协和号在2马赫巡航时，整架飞机会比地面停放时伸长大约15到25厘米。不同记录资料的说法略有出入，但是量级还是很清楚，不是几毫米，是足足有一把尺子那么长。

最直观的证据是驾驶舱里飞行工程师面前的仪表控制台，和它后方的舱壁之间，在地面时是紧密贴合的。不过只要飞到2马赫之后，机身一拉长，两者之间会裂开一条明显的缝隙，宽到能塞进一顶制服帽子。

超音速巡航时，协和号机身会明显伸长。飞行工程师控制台后方甚至会出现能塞进帽子的缝隙。

协和号退役前的最后那批航班，飞行工程师们有一个不成文的传统，在超音速巡航时，把自己的制服帽子塞进这条缝隙里。

等飞机降落，机身冷却收缩，铝板把帽子死死卡在了机身结构里，谁也拿不出来了。

这可以说是对一架超音速传奇最硬核的告别方式吧。

从工程角度来看，这个"帽子缝隙"意味着一个很不好办的设计挑战：整架飞机的每一块蒙皮、每一根骨架、每一条管路、每一根电缆，都必须容忍每次飞行中反复发生的厘米级伸缩。结构不能太刚，要是太刚了会被热应力撕裂。结构也不能太软了，太软在气动载荷下会变形。

所以飞机的壳，必须是弹性的。但是弹性是有极限的。每一次从常温到127°C再回到常温，就是一次热疲劳循环。协和号设计寿命45000飞行小时，每一个小时都在反复拉扯同一块铝板。

如果用汽车来类比：你的车每天早上从冷库里拖出来，然后往锅炉里塞进去，再拖出来，塞进去。就当我们每天通勤上下班，一直开27年。

然后突然有人问你一句：你的车还好吗？

三、协和号不能换颜色

白色不是美学选择。是热管理系统的一部分。

今天任何一架民航客机，航空公司想刷什么颜色就刷什么颜色。国泰的绿尾巴，阿联酋的金色，汉莎的蓝色，全日空的蓝海龟，涂装可以说是品牌，也是审美，更是一种营销。

但是协和号不行。

协和号只能刷白色。不是因为审美。是因为物理规则的限制。

协和号的蒙皮温度已经精确地卡在了127°C这条红线上，留给热管理的余量几乎为零。

白色涂装的作用是反射太阳辐射。协和号用的不是普通的白漆，而是一种由英国ICI（帝国化学工业）专门研发的航空级太阳反射涂层（Solar Reflective Coating），反射率是普通民航客机白漆的两倍。而且这层漆还得足够柔韧，机身每次飞行都会伸长几十厘米，漆面得跟着拉伸而不能开裂。这层漆能把蒙皮温度压低6到11°C。

6到11°C。听上去好像是不多。

但对于一块已经在127°C的铝合金来说，省下来的11°C就是它还能撑过设计寿命的那一点余量。

1996年，法航为此破了一次例。

百事可乐花了大价钱，把编号F-BTSD的协和号涂成了深蓝色——百事的品牌色。但是工程师坚持了一条底线，机翼必须留白。因为机翼里面就是油箱，油箱里的燃油是全机的散热器。翼面刷蓝，散热能力直接给腿打折了，热管理系统就彻底没法正常运转了。

即便机身刷蓝、机翼留白，蒙皮温度仍然上升了一截。

结果是这架蓝色的协和号在1.7马赫以下可以不限时飞行，但是如果推到2.02马赫，单次不能超过20分钟。法航特意选了F-BTSD这架，它本来就不飞巴黎到纽约的长途，只在欧洲和中东做短途宣传飞行。这个事在两周后，涂装又恢复原色。

一瓶可乐的颜色，逼一架飞机限速限时。

这就是127°C这条红线有多近。

1996年，法航允许百事为协和号更换深蓝涂装。

四、燃油不只是燃油

上一期讲进气道的时候说过，协和号有100个座位，一小时烧25600升航空燃油。从伦敦到纽约，需要带上95吨油。

但这95吨燃油，在协和号上不只是给发动机烧的。它同时承担着另外两个完全不同的角色：冷却剂和配重。

三个功能捆在一起。是一损俱损的关系。

功能一：冷却

协和号飞在2马赫时，机身外面127°C。机身里面是100个花了12000美元买票的乘客。

他们需要空调。

问题是飞机的空调不像我们家里那样用电驱动压缩机。民航客机的空调靠的是从发动机里"抽气"，发动机的压气机在工作时把空气压到很高的压力和温度，空调系统从中引出一股高压热空气，再想办法降温后送进客舱。这叫引气（Bleed Air），传统民航客机基本都用这套路子（后来波音787走了一条不同的路——用电驱动系统绕开了引气，但那是几十年后的事了）。

Bleed这个词的本意是"放血"。从发动机身上抽走一股高压空气，就像从动脉里抽血一样，抽多了发动机会"贫血"（推力下降），抽少了客舱没法降温。

中文翻译成"引气"，听上去确实显得文雅多了，但是英文原词的暴力真实感更接近工程现实。

这是我们在这个系列里第三次碰到这种情况了：creep的"悄悄溜走"、sympathetic surge的"同情"、再加上bleed的"放血"——航空工程的英文术语，字面看一个比一个人畜无害，背后的物理现实一个比一个紧张。

但是协和号的引气温度是550°C。普通亚音速客机的引气大约200°C，而且外面有零下几十度的冷空气可以帮忙降温。不过协和号不行，它在两倍音速下飞行，冲进换热器的空气已经被压缩和摩擦加热了，早就不再是高空里的免费冷空气了。

他的降温靠的是一种叫热交换器（Heat Exchanger）的装置。

原理不复杂，两根管子贴在一起，一根走热流体，一根走冷流体，热量通过管壁从热的一侧传到冷的一侧，我们家冰箱背后那排摸上去烫手的散热管，就是一个热交换器。但是协和号的问题是本应该走冷流体的那根管子里，所谓的"冷空气"他也有127°C。

用127°C的"冷却空气"去冷却550°C的引气，这套空调系统从起步开始就已经被逼到了墙角旮旯里。

天才往往被称为天才，可能还带一点疯吧，他们最终的解决方案是把热能转移到燃油中。

空调系统、液压系统、发电机的恒速驱动装置（CSD, Constant Speed Drive，这个装置的作用是不管发动机转速怎么变化，都要让发电机保持恒定的输出频率，类似一个变速箱），还有发动机润滑油，所有在高温中挣扎的子系统都通过热交换器把多余的热能（工程上叫废热，Waste Heat）排进燃油。燃油在被送进发动机之前，已经吸收了大量的废热，平均温度也被加热到了大约60°C。

然后这些带着废热的燃油被送进燃烧室烧掉，废热连同燃油一起，化为了最终的推力。

他没有外部散热器。外部散热器就意味着迎风面积，迎风面积在2马赫下意味着这是不可接受的阻力。

所以燃油就是散热器。一个会越来越少的散热器。

飞机飞得越久，油烧得越多，剩余的散热容量越小。这也说明协和号的热管理系统在航程后半段比前半段更紧张，只是燃油少了，但是热负荷可没减。

协和号的燃油不仅负责推进。它还是散热器、配重系统和热管理系统的一部分。

功能二：配重

飞机在空中靠两个"点"维持平衡：一个是我们熟悉的重心——整架飞机重量集中作用的那个点。

另一个是升力中心（Center of Pressure）——空气把飞机往上托的"发力点"。我们可以把飞机想象成一根扁担，重心是我们肩膀的位置，升力中心是绳子挂的位置。两个点对齐，扁担就平。错开了，就往一头栽。

在亚音速下，这两个点大体对齐，飞机稳稳当当。但是当飞机加速突破音速，问题就来了：

超音速下激波改变了空气对机翼的压力分布方式，升力中心会往后移动——大约后移1.8米。扁担变成了跷跷板，升力往后挪了，重心还在原地，飞机产生一个强烈的低头力矩——机头往下栽。

普通飞机用水平尾翼来纠正这种不平衡，尾翼偏转产生一个向下的力，把机尾压下去，等于在跷跷板另一头坐个人。但是协和号没有传统的水平尾翼。它的三角翼后缘有一排叫升降副翼（Elevon）的活动面，这玩意是副翼和升降舵的合体，左右不对称偏转时控制飞机滚转（像普通副翼），两侧同时偏转时控制俯仰（像升降舵），一物两用。

如果用升降副翼去强行抬头抵消低头力矩，副翼偏转越大，对气流的阻挡越大，产生的额外阻力就越大，在2马赫下，这笔阻力大到可以吃掉全部的航程余量。飞机可能还没到纽约，油就先烧完了。

协和号通过转移燃油改变重心位置，抵消超音速飞行中的升力中心后移。

协和号想出的解决方案：不动控制面，动燃油。

飞机加速突破音速时，飞行工程师通过燃油转输系统，把大约20吨燃油从前方油箱泵到机尾的配平油箱。

20吨液体在飞机内部往后流动，重心随之后移，这样就完美追上了升力中心的移动。

飞机不需要偏转任何控制面就维持了平衡。零配平阻力。

减速回到亚音速？反过来泵。20吨燃油从后方打回前方。

整架飞机就是一个精密的"天平"。

17个油箱，每一个都是天平上的砝码。飞行工程师面前那堵密密麻麻的开关墙，就是这套天平的操控台。

飞行工程师面前密密麻麻的开关，控制着协和号的“液体天平”。

有一位资深的航空工程师曾经和我分享过他的亲身经历。

上世纪90年代，他在法航实习时，由一位拥有协和号放飞执照的指导员带领，近距离参观过大修中的协和号。他形容那面开关墙的第一反应就是“敬畏”，在没有今天这种数字化飞控和高度自动化燃油管理系统的年代，协和号的重心控制很大程度上还要靠飞行工程师盯着那面开关墙，手动把燃油在各个油箱之间调来调去。

当三位一体崩塌

现在，我们想象这三个功能是一条绳子上的三个结。

烧油的时候，油在减少。散热容量在下降，配重分布也在变化。

三件事同时在动，动的方向轨迹也未必是一致的。

如果油路出了问题，像泵坏了、管路堵了、阀门卡了，这样烧不到油，就没有了推力。但是同时，散热也停了，热量也变得无处可去。重心也不能调了，飞机开始失衡。

一个故障，三个功能同时暴露在风险之下。

2000年巴黎戈内斯的AF4590，轮胎爆裂击穿油箱，燃油泄漏起火。那场事故的直接因果链是火和失控，不是热管理崩溃。但它暴露了协和号账本里另一条更严酷的事实，燃油在这架飞机上从来不只是燃油，它是能量、是配重、是散热介质，是多个系统同时依赖的同一根命脉。

三位一体，绑得越紧，崩塌的风险越高。

这就是协和号账本里最贵的一条：

它用一套天才的设计把三个问题同时解决了，但这同一套设计也让三个问题同时暴露在同一个单点故障之下。

在可靠性工程里，这叫共模故障，几个看似不同的功能，其实都押在同一个东西上。那个玩意只要一出问题，所有功能同时失去保障。

现在我们出门旅行，手机既是导航、又是支付工具、又是跟所有人的联络方式。三个功能合在一台设备里，确实方便极了，但如果手机突然坏了，那我们会同时失去了方向、钱包还有跟外界的一切联系。这不是三个倒霉事恰好同时发生，而是因为我们一开始就把三条命脉绑在了同一个设备上。

协和号的燃油系统就像极了那台手机。

五、可下垂的机头

协和号的三角翼在低速时有一个问题：升力不够，必须要用大迎角去"骗"更多的升力。降落时机头仰角会达到惊人的12.5度，机头翘得像一根撬棒，会完全影响飞行员观察跑道的视线。

那怎么办？方法居然是把机头往下折。

协和号的机头是一套液压可下垂系统，有四个工作位置：

1. 超音速巡航和停机：机头抬起，遮阳板（Visor）升起，整个前端形成一个完美的流线锥体

2. 地面推出：机头抬起，遮阳板放下（很少使用，主要是为了清洁风挡等地面操作）

3. 滑行、起飞和初始爬升：机头下垂5度，遮阳板放下

4. 最后进近和着陆：机头下垂12.5度，遮阳板放下

协和号的下垂机头不仅为了视野。它也是热管理系统的一部分。

这套装置不仅是为了让飞行员看得见跑道，它还是热管理系统的一部分。

在2马赫时，机头是全机温度最高的区域，是127°C。如果驾驶舱前方是普通玻璃，在这个温度下会碎裂，而且舱内需要隔热。

协和号的解决方案是在超音速巡航时升起一块遮阳板（Visor）——多层特殊耐高温玻璃制成的热盾，挡在风挡前面，把机头传导过来的高温隔绝在驾驶舱外。

机头抬起+遮阳板升起=流线外形+热防护。

机头下垂+遮阳板放下=飞行员看得见跑道。

一套装置解决两个完全不同的问题。虽然优雅，但也意味着如果液压系统失效，飞行员既看不见跑道，也会失去了热防护。

好在液压系统有冗余，正常由Green系统驱动，备用是Yellow系统。如果两套都失效，还有一个应急机械释放装置，解除机头锁定后，机头靠自身重力自由下落到5度位置，同时触发遮阳板自动解锁放下。

六、空调：575度温差攻坚战

最后算一笔最有意思的账。

协和号的空调系统需要做到一件事： 把550°C的发动机引气，在不到几米的管路里降温到零下15°C到零下25°C，然后送进客舱。

中间温差超过575度。

协和号需要在几米管路内，把550°C引气降温到客舱可用温度。

冷却的流程：

1. 发动机高压压气机引气：550°C

2. 经过空气/空气中间冷却器，用外部冲压空气做第一级冷却——但冲压空气自己也有127°C

3. 经过空气循环机（ACM）做功来降温，原理是让高压空气推动涡轮膨胀做功，空气一膨胀，温度就骤降。我们给自行车打气时气筒会发烫（压缩空气放热），ACM做的是反过来的事（让空气膨胀吸热）

4. 经过燃油热交换器，把剩余热量排进燃油（吸热后燃油约60°C）

5. 离开空调组件时的空气温度：约零下15°C到零下25°C

6. 经过机翼和机身导管回暖到0°C左右

7. 进入客舱与舱内空气混合

整套流程下来，100位乘客坐在一个舱壁温度温热的、外面127°C的铝管子里，感受到的是22°C的空调风。

不过空调系统马力全开，也只能做到勉强维持。协和号退役的飞行员回忆：在超音速巡航阶段，你用手去摸客舱内侧的舱壁，是温热的。

外面是两倍音速。里面是一根正在被加热的铝管。唯一的救命稻草是一百吨正在被烧掉的燃油。

尾声

协和号的热力账本到此。

它活在一个非常狭窄的温度走廊里，铝合金的127°C上限决定了速度不能再快，燃油的散热容量（Heat Sink）决定了航程不能再远，白色涂装的反射率决定了它连换个颜色的自由都没有。

上一期说过：协和号的进气道用激波省下来的每一点效率，最后都变成了温度。

这一期算清了这笔账：温度，变成了材料的疲劳极限，变成了机身每一次膨胀与收缩，变成了燃油三位一体的风险捆绑，变成了从550°C到零下25°C的575度温差攻坚战。

每一度温度都是明码标价的。

「飞机的账本」系列。写飞机，不是因为它很酷。是因为它很贵。贵的不只是钱。

向物理借钱的人，这一期看到了账单的第二页。

下一篇，准备写AF4590。账单开始见血。协和号的账本还没算完。

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协和号退役了。但那本“向物理借钱”的账本，还没有结束。