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第57章 一“时”千里

第五十五章一“时”千里

超音速飞机的发明

20世纪40年代中期,飞机的动力装置从活塞式发动机向喷气式发动机发展,飞机结构设计得

到重大改进。这些,使航空领域产生了一次重大的突破——飞机飞行速度超过音速。

喷气动力飞速发展

飞机在第二次世界大战的战场上,起着举足轻重的作用,而速度的大小,又直接影响了飞机

的战斗能力。当时的战斗机,最大时速在700千米左右。这个速度已经接近活塞式飞机飞行

速度的极限。例如美国的P-51D“野马”式战斗机,最大速度每小时765千米,大概是用螺旋

桨推进的活塞式战斗机中飞得最快的了。必须增加发动机推力才能进一步提高飞行速度,

但是活塞式发动机已经无能为力。

二战末期,德国研制成功Me-262和Me-163新型战斗机,投入了苏德战场作战。这两种都是

当时一般人从未见过的喷气式战斗机,前者装有2台涡轮喷气发动机,最大速度870千米/小

时,是世界上第一种实战喷气式战斗机。后者装有1台液体燃料火箭发动机,最大速度933千

米/时。

紧接着前苏联的米高扬设计局很快研制出了伊-250试验型高速战斗机。它采用复合动力装置

,由一台活塞式发动机和一台冲压喷气发动机组成。在高度7 000米时,可使飞行速度达到8

25千米/时。1945年3月3日,试飞员A.п.杰耶夫驾驶伊-250完成了首飞。随后,伊-250

很快进行了小批量生产。

同样的复合动力装置也装在了苏霍伊设计局研制出的苏-3试验型截击机上,1945年4月又出

现了苏-5,速度达到800千米/时。另一种型号苏-7,除活塞式发动机,还加装了液体火箭加

速器,可在短时间提高飞行速度。拉沃奇金和雅科夫列夫设计的战斗机,也安装了液体火箭

速器。但是,用液体火箭加速器来提高飞行速度的办法并不可靠,其燃料和氧化剂仅够使用

几分钟,而且具有腐蚀性的硝酸氧化剂,使用起来也十分麻烦,甚至会发生发动机爆炸事故

。在这种情况下,前苏联航空界中止了液体火箭加速器在飞机上的使用,全力发展涡轮喷气

发动机。

理论突破首创成果

飞机速度的提高依然困难重重。最大的拦路虎便是“音障”问题。所谓音障,是在飞机的速

度接近音速时开始产生的,这时飞机受到空气阻力急剧增加,飞机操纵上会产生奇特的反应

,严重的还将导致机毁人亡。涡轮喷气发动机的研制成功,冲破了活塞式发动机和螺旋桨给

飞机速度带来的限制,但却过不了“音障”这一关。

奥地利物理学家伊·马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验,最早发现了扰动源

在于超音速气流中产生的波阵面,即马赫波的存在。他还将飞行速度与当地音速的比值定为

赫数,简称M数。M小于1,表示飞行速度小于音速,是亚音速飞行;M数等于1,表示飞行速

度与音速相等;M数大于1,表示飞行速度大于音速,是超音速飞行。

声音在空气中传播的速度,受空气温度的影响,数值是有变化的。飞行高度不同,大气温度

会随着高度而变化,因此音速也不同。在标准大气压情况下,海平面音速为每小时1 227.6

米,在11 000米的高空,是每小时1 065.6千米,于是科学家采用了马赫数来表达飞行速度

接近或超过当地音速的程度。

各种形状的飞行物体,在速度接近或超过音速时,受力情况怎样?众多的空气动力学家和飞

行设计师们集中火力攻克了这个课题。

我国著名空气动力学家、中国科学院院士、北京航空航天大学名誉校长沈元教授,当时在探

索从亚音速到超音速的道路上,做出过突出的贡献。

1945年夏天,沈元以博士论文《大马赫数下绕圆柱的可压缩流动的理论探讨》通过了答辩,

在伦敦大学接受了博士学位。他的论文用速度图法,证实了高亚音速流动下,圆柱体附近极

限线的存在。他从理论上和计算结果上,证实了高亚音速流动下,圆柱体表面附近可能会出

现正常流动的局部超音速区。

这就意味着,只有在气流马赫数增加到一定数值时,圆柱体表面某处的流线,才开始出现来

回折转的尖点,这时正常流动就不复存在。这一研究结果显示了在绕物体流动(如机翼)的

高亚音速气流中,如马赫数不超过某一定值,就可能保持无激波的、含有局部超音速区的跨

音速流动。它针对

当时高速飞行接近音速时产生激波的问题,从理论上揭示出无激波跨音速绕流的可能性。

沈元的这项研究,第一次从理论计算上,得出高亚音速绕圆柱体流动的流线图,得出它的速

度分布,以及在某一临界马赫数以下,流动可以加速到超音速而不致发生激波的可能性。通

过这方面的研究,可以掌握高速气流的规律,了解飞机机体、机翼形状和产生激波阻力之间

的关系,探索是否可能让飞机在无激波的情况下接近音速,从而为设计新型高速飞机奠定理

基础。这是一项首创性的成果,对当时航空科学在高亚音速和跨音速领域内的发展,起到了

一定的推动作用。

结构改进突破“音障”

面对重重困难,科学家们进行了无数次的研讨和实验。结果发现,超音速飞机的机体结构

同亚音速飞机大有不同:机翼必须薄得多;关键因素是厚弦比,即机翼厚度与翼弦(机翼前

至后缘的距离)的比率。对超音速飞机来说,厚弦比就很难超过5%,即机翼厚度只有翼弦的1

/20或更小,机翼的最大厚度可能只有十几厘米。而亚音速的活塞式飞机的厚弦比大概是17%

超音速飞机的设计师必须设计出新型机翼。这种机翼的翼展(即机翼两端的距离)不能太大,

而是趋向于较宽、较短,翼弦增大。设计师们想出的办法之一,是把超音速机翼做得又薄又

短,可以不用后掠角。另一个办法是将机翼做成三角形,前缘的后掠角较大,翼根很长,从

机头到机尾同机身相接。

美国对超音速飞机的研究,集中在贝尔X-1型“空中火箭”式超音速火箭动力研究机上。X-1

机的翼型很薄,没有后掠角。它的动力采用液体火箭发动机。由于飞机上所能携带的火箭燃

料数量有限,火箭发动机工作的时间很短,因此不能用X-1飞机自己的动力从跑道上起飞,

而需要把它挂在一架B-29型“超级堡垒”重轰炸机的机身下,飞到高空后,再把X-1飞机投

放下去。X-1飞机离开轰炸机后,在滑翔飞行中,再开动自己的火箭发动机加速飞行。

1946年12月9日,X-1飞机第一次在空中开动其火箭动力试飞。

1947年10月14日,美国空军的试飞员查尔

斯·耶格尔上尉驾驶X-1飞机完成人类航空史上这项创举,耶格尔从而成为世界上第一个飞

得比声音更快的人。耶格尔驾驶X-1飞机在12 800米的高空,使飞行速度达到1078千米/时,

相当于M1

.015。

在人类首次突破“音障”之后,研制超音速飞机的进展就加快了。以美国和前苏联为代表,

各国在竞创速度记录方面展开了竞争。

和平之鸽展翅高飞

历史在发展,社会在前进。随着世界大战的结束和国际关系的缓和,超音速飞行技术也越来

越多地应用于各种非军事性其他方面,如英、法联合研制的“协和”式超音速旅客机,就已

经在

飞越大西洋的航线上营运了十几年,能以最大巡航速度M2.04飞行。前苏联也研制生产了图-

144型超音速旅客机,但由于技术问题,只在航线上飞行了一段时间,便从客运市场上退出

。美国、前苏联还曾经分别研制出超音速的轰炸机。1997年10月15日,英国设计师研制的超

音速汽车,首次实现了陆地行车超过音速的创举。

展望未来,超音速飞机将载着人类,以超音的速度,飞向和平的彼岸和幸福的明天。