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所謂突破音障就是,人們在實踐中發現,在飛行速度達到音速的十分之九,即馬赫數MO.9空中時速約950公里時,局部氣流的速度可能就達到音速,產生局部激波,從而使氣動阻力劇增。要進一步提高速度,就需要發動機有更大的推力。

1 突破音障 -定義

  所謂 突破音障 就是,人們在實踐中發現,在飛行速度達到音速的十分之九,即馬赫數MO.9空中時速約950公里時,局部氣流的速度可能就達到音速,產生局部激波,從而使氣動阻力劇增。要進一步提高速度,就需要發動機有更大的推力。更嚴重的是,激波能使流經機翼和機身表面的氣流,變得非常紊亂,從而使飛機劇烈抖動,操縱十分困難。同時,機翼會下沉、機頭往下栽;如果這時飛機正在爬升,機身會突然自動上仰。這些討厭的癥狀,都可能導致飛機墜毀。這就是所謂「音障」問題。由於聲波的傳遞速度是有限的,移動中的聲源便可追上自己發出的聲波。當物體速度增加到與音速相同時,聲波開始在物體前面堆積。如果這個物體有足夠的加速度,便能突破這個不穩定的聲波屏障,衝到聲音的前面去,也就是突破音障。1947年,查理 耶格爾駕駛火箭發動機推進的貝爾X-1機首次突破聲障。
  

2 突破音障 -突破音障第一人

  1947年10月14日,美國試飛員耶格爾駕駛的X-1實驗飛機(下)在美國加利福尼亞州南部上空脫離B-29母機。隨後,耶格爾駕駛X-1飛機上升到12,000米高空,在此高度上達到1066千米/時的速度,成為人類突破音障的第一人。
  1953年,美國人傑奎琳 科克倫是第一個突破音障的女性。

3 突破音障 -技術與條件

  突破音障重要的是技術因素,不是一味的提高發動機推力,而在於通過改變飛機外形刺破音障,比如現在基本採用的方法是用很長的空速管來刺破音障,現在大多數機型都能突破音障飛行了,甚至達到三個馬赫數,即三倍音速。
  超音速飛機的機體結構,同亞音速飛機相當不同:機翼必須薄得多;關鍵因素是寬高比,即機翼厚度與翼弦的比率。以亞音速的活塞式飛機來說,轟炸機的寬高比為17%,殲擊機是14%;但對超音速飛機來說,厚弦比就很難超過5%,即機翼厚度只有翼弦的二十分之一或更小,機翼的最大厚度可能只有十幾個厘米。超音速飛機的翼展(即機翼兩端的使離)不能太大,而是趨向於較寬較短,翼弦增大。設計師們想出的辦法之一,是將機翼做成三角形,前緣的後掠角較大,翼根很長,從機頭到機尾同機身相接(如幻影-2000)。另一個辦法,把超音速機翼做得又薄又短,可以不用後掠角(如F-104)。
  由上可以知道,根據一架飛機的外形,我們就基本上可以判斷出它是超音速還是亞音速的飛機了。飛行器在速度達到音速左右時,會有一股強大的阻力,使飛行器產生強烈的振蕩,速度衰減。這一現象被俗稱為音障。當飛行器突破這一障礙后,整個世界都安靜了,一切聲音全被拋在了身後!
  那個白色的東西被稱為音錐,是由於先前堆積的衝擊波造成物體前端壓力過大,又在物體突破了音障(sonic barrier)之後,堆積於機身前的巨大壓力頓時消失,瞬間引起的壓力驟減,導致空氣中的水氣凝結溫度瞬間降低,於是水蒸氣便凝結成小水滴,肉眼看來便像是雲霧般的狀態,其特徵是一個以飛機為中心軸、從機翼前段開始向四周後方均勻擴散的圓錐狀雲團。

4 突破音障 -突破音障發展

  第二次世界大戰後期,戰鬥機的最大速度,已超過每小時700公里。要進一步提高速度,就碰到所謂「音障」問題。聲音在空氣中傳播的速度,受空氣溫度的影響,數值是有變化的。飛行高度不同,大氣溫度會隨著高度而變化,因此當地音速也不同。在國際標準大氣情況下,海平面音速為每小時1227.6公里,在l1000米的高空,是每小時1065.6公里。時速700多公里的飛機,迎面氣流在流過機體表面的時候,由於表面各處的形狀不同,局部時速可能出700公里大得多。當飛機再飛快一些,局部氣流的速度可能就達到音速,產生局部激波,從而使氣動阻力劇增。
  這種「音障」,曾使高速戰鬥機飛行員們深感迷惑。每當他們的飛機接近音速時,飛機操縱上都產生奇特的反應,處置不當就會機毀人亡。第二次世界大戰後期,英國的「噴火」式戰鬥機和美國的「雷電」式戰鬥機,在接近音速的高速飛行時,最早感覺到空氣的壓縮性效應。也就是說,在高速飛行的飛機前部。由於局部激波的產生,空氣受到壓縮,阻力急劇增加。「噴火」式飛機用最大功率俯衝時,速度可達音速的十分之九。這樣快的速度,已足以使飛機感受到空氣的壓縮效應。 為了更好地表達飛行速度接近或超過當地音速的程度,科學家採用了一個反映飛行速度的重要參數:馬赫數。它是飛行速度與當地音速的比值,簡稱M數。M數是以奧地利物理學家伊·馬赫的姓氏命名的。馬赫曾在19世紀末期進行過槍彈彈丸的超音速實驗,最早發現擾動源在超音速氣流中產生的波陣面,即馬赫波的存在。M數小於1,表示飛行速度小於音速,是亞音速飛行;M數等於1,表示飛行速度與音速相等;M數大於 1,表示飛行速度大於音速,是超音速飛行。
  第二次世界大戰後期,飛行速度達到了650-750公里/小時的戰升機,已經接近活塞式飛機飛行速度的極限。例如美國的P-5lD「野馬」式戰鬥機,最大速度每小時765公里,大概是用螺旋槳推進的活塞式戰升機中,飛得最快的了。若要進一步提高飛行速度,必須增加發動機推力但是活塞式發動機已經無能為力。航空科學家們認識到,要向音速衝擊,必須使用全新的航空發動機,也就是噴氣式發動機。
  二戰末期,德國研製成功Me-163和 Me-262新型戰鬥機,投入了蘇德前線作戰。這兩種都是當時一般人從未見過的噴氣式戰鬥機,具有后掠形機翼。前者裝有1台液體燃料火箭發動機,速度為933公里/小時;後者裝2台渦輪噴氣發動機,最大速度870公里/小時,是世界上第一種實戰噴氣式戰鬥機。它們的速度雖然顯著超過對手的活塞式戰鬥機,但是由於數量稀少,又不夠靈活,它們的參戰,對挽救法西斯德國失敗的命運,實際上沒有起什麼作用。
  德國噴氣式飛機的出現,促使前反法西斯各國加快了研製本國噴氣式戰鬥機的步伐。英國的「流星」式戰鬥機很快也飛上藍天,蘇聯的著名飛機設計局,例如米高揚、拉沃奇金、蘇霍伊和雅科夫列夫等飛機設計局,都相繼著手研製能與德國新式戰鬥機相匹敵的飛機。
  米高揚設計局研製出了伊-250試驗型高速戰鬥機,它採用複合動力裝置,由一台活塞式發動機和一台衝壓噴氣發動機組成。在高度7000米時,這種發動機產生的總功率為2800馬力,可使飛行速度達到825公里/小時。1945年3月3日,試飛員傑耶夫駕駛伊-250完成了首飛。伊250在蘇聯戰鬥機中,是飛行速度率先達到825公里/小時的第一種飛機。它進行了小批量生產。
  蘇霍伊設計局研製出蘇-5試驗型截擊機,也採用了複合動力裝置。1945年4月,蘇-5速度達到800公里/小時。另一種型號蘇-7,除活塞式發動機外,還加裝了液體火箭加速器(推力300公斤),可短時間提高飛行速度。拉沃奇金和雅科夫列夫設計的戰鬥機,也安裝了液體火箭加速器。但是,用液體火箭加速器來提高飛行速度的辦法並不可靠,其燃料和氧化劑僅夠使用幾分鐘;而且具有腐蝕性的硝酸氧化劑,使用起來也十分麻煩,甚至會發生髮動機爆炸事故。試飛員拉斯托爾古耶夫,就在一次火箭助推加速器爆炸事故中以身殉職。在這種情況下,蘇聯航空界中止了液體火箭加速器在飛機上的使用,全力發展渦輪噴氣發動機。
  渦輪噴氣發動機的研製成功,衝破了活塞式發動機和螺旋漿給飛機速度帶來的限制。不過,儘管有了新型的動力裝置,在向音速邁進的道路上,也是障礙重重。當時,人們在實踐中發現,在飛行速度達到音速的十分之九,即馬赫數MO.9空中時速約950公里時,出現的局部激波會使阻力迅速增大。要進一步提高速度,就需要發動機有更大的推力。更嚴重的是,激波能使流經機翼和機身表面的氣流,變得非常紊亂,從而使飛機劇烈抖動,操縱十分困難。同時,機翼會下沉、機頭往下栽;如果這時飛機正在爬升,機身會突然自動上仰。這些討厭的癥狀,都可能導致飛機墜毀。
  空氣動力學家和飛機設計師們密切合作。進行了一系列飛行試驗,結果表明:要進一步提高飛行速度,飛機必須採用新的空氣動力外形,例如后掠形機翼要設法減薄。前蘇聯中央茹科夫斯基流體動力研究所的專家們,曾對后掠翼和后掠翼飛機的配置型式,進行了大量的理論研究和風洞試驗。由奧斯托斯拉夫斯基領導進行的試驗中,曾用飛機在高空投放裝有固體火箭加速器的模型小飛機。模型從飛機上投下后,在滑翔下落過程中,火箭加速器點火,使模型飛機的速度超過音速。專家們據此探索超音速飛行的規律性。蘇聯飛行研究所還進行了一系列研究,了解在空氣可壓縮性和氣動彈性作用增大下,高速飛機所具有的空氣動力特性。這些基礎研究,對超音速飛機的誕生,都起到了重要作用。
  美國對超音速飛機的研究,主要集中在貝爾X-1型「空中火箭」式超音速火箭動力研究機上。研製X-l最初的意圖,是想製造出一架飛行速度略微超過音速的飛機。X-l飛機的翼型很薄,沒有後掠角。它採用液體火箭發動機做動力。由於飛機上所能攜帶的火箭燃料數量有限,火箭發動機工作的時間很短,因此不能用X-1自己的動力從跑道上起飛,而需要把它掛在一架B-29型「超級堡壘」重型轟炸機的機身下,升入天空。
  飛行員在升空之前.已經在X-l的座艙內坐好。轟炸機飛到高空后,象投炸彈那樣,把X-l投放開去。X-l離開轟炸機后,在滑翔飛行中,再開動自己的火箭發動機加速飛行。X-1進行第一次空中投放試驗,是在1946年1月19日;而首次在空中開動其火箭動力試飛,則要等到當年12月9日才進行,使用的是X-l的2號原型機。
  又過了大約一年,X-l的首次超音速飛行才獲得成功。完成人類航空史上這項創舉的,是美國空軍的試飛員查爾斯.耶格爾上尉。他是在1947年10月14日完成的。24歲的查爾斯·耶格爾從此成為世界上第一個飛得比聲音更快的人,使他的名字載入航空史冊。那是一次很艱難的飛行。耶格爾駕駛X-l在12800米的高空,使飛行速度達到1078公里/小時,相當於M1.015。
  在人類首次突破「音障」之後,研製超音速飛機的進展就加快了。美國空軍和海軍在競創速度記錄方面展開了競爭。1951年8月7日,美國海軍的道格拉斯 D.558-II型「空中火箭」式研究機的速度,達到M1.88。有趣的是,X-l型和D.558-II型,都被稱為「空中火箭」。 D.558-II也是以火箭發動機為動力,由試飛員威廉·布里奇曼駕駛。8天之後,布里奇曼駕駛這架研究機,飛達22721米的高度,使他成為當時不但飛得最快,而且飛得最高的人。接著,在1953年,「空中火箭」的飛行速度,又超過了M2.0,約合2172公里/小時。
  人們通過理論研究和一系列研究機的飛行實踐,包括付出了血的代價,終於掌握了超音速飛行的規律。高速飛行研究的成果,首先被用于軍事上,各國競相研製超音速戰鬥機。1954年,前蘇聯的米格-19和美國的F-100「超佩刀」問世,這是兩架最先服役的僅依靠本身噴氣發動機即可在平飛中超過音速的戰鬥機;很快,1958年F-104和米格-21又將這一記錄提高到了M2.0。儘管這些數據都是在飛機高空中加力全開的短時間才能達到,但人們對追求這一瞬間的輝煌還是樂此不疲。將「高空高速」這一情結髮揮到極致的是兩種「雙三」飛機,米格-25和SR-71,它們的升限高達30000米,最大速度則達到了驚人的M3.0,已經接近了噴氣式發動機的極限。隨著近年來實戰得到的經驗,「高空高速」並不適用,這股熱潮才逐漸冷卻。
  超音速飛機的機體結構,同亞音速飛機相當不同:機翼必須薄得多;關鍵因素是寬高比,即機翼厚度與翼弦的比率。以亞音速的活塞式飛機來說,轟炸機的寬高比為17%,殲擊機是14%;但對超音速飛機來說,厚弦比就很難超過5%,即機翼厚度只有翼弦的二十分之一或更小,機翼的最大厚度可能只有十幾個厘米。超音速飛機的翼展(即機翼兩端的使離)不能太大,而是趨向於較寬較短,翼弦增大。設計師們想出的辦法之一,是將機翼做成三角形,前緣的後掠角較大,翼根很長,從機頭到機尾同機身相接(如幻影-2000)。另一個辦法,把超音速機翼做得又薄又短,可以不用後掠角(如F-104)。
  由上可以知道,根據一架飛機的外形,我們就基本上可以判斷出它是超音速還是亞音速的飛機了。

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