传奇背后的男人们，协和双杰
40年前的协和式是经济失败，但在其科技成就背后，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重要作用。奥托·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·库塔不仅与卡尔·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·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·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·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·冯·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·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·冯·布劳恩的老师；阿道夫·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·库奇曼（Dietrich Kuchemann）。
迪特里希·库奇曼
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·玻恩、马克思·普朗克、恩里科·费米、沃尔夫冈·泡利、维尔纳·海森堡、罗伯特·奥本海姆（原子弹之父）、保罗·狄拉克、数学家卡尔·高斯、伯纳德·黎曼、约翰·狄黎克雷、大卫·希尔伯特、菲利克斯·克莱因、卡尔·龙格、赫尔曼·闵可夫斯基（爱因斯坦的老师）、赫尔曼·外尔、诺伯特·维纳、诗人海因里希·海涅、哲学家阿瑟·叔本华、社会学家马克思·韦伯、约尔根·哈贝马斯、语言学家/作家格林兄弟、教育家威廉·洪堡、爱德华·埃弗里特、政治家奥托·冯·俾斯麦、盖尔哈德·施罗德、理卡德·魏茨泽克、银行家内森·罗斯柴尔德、JP·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“机动性好的双翼打空战、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。
库奇曼在战时的工作包括Me-109的滑油散热器进气口
Me-262的进气口也是库奇曼设计的
这也是飞行技术迅速发展的时代。在二战的最后年代，活塞发动机马力越来越大，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”接近平面的激波前进，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。
“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”
如今“库奇曼的胡萝卜”广泛用于民航客机，这是A-380的机翼
面积律的一个突出优点在于只与机体-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远超过机械安装需要，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。
利皮希的三角翼最初不是从高速飞行的角度出发的，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·琼斯推出薄翼型超音速三角翼理论，更加适合高速飞行，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，气流一旦出现分离，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。
库奇曼和乔安娜·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
超临界翼成为现代客机的基本技术，ARJ-21也采用了超临界翼
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可以达到超音速的，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·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·韦伯
乔安娜·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·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。
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。
韦伯的计算最终成为“协和”式的设计基础。
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可以达到局部超音速。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。她本人没有直接参加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：“没有想到我能活这么久啊。”
直到今天，英国依然主导空客的机翼设计，基础是库奇曼和韦伯奠定的