跑在声音的前面 飞行原理与战斗机的划代(3)
为什么说超“音”速
自从人类发明飞机以来，总是希望它能飞得更快。但是，飞得越快，空气给飞机的阻力也就越大。在飞行速度较低的情况下，阻力的大小和速度的平方成正比(这和升力的情况类似)。但在飞机速度增大到接近声音的速度时，阻力就会和速度的五次方成正比。如果速度超过音速，会出现一种特殊的阻力——波阻，即激波阻力，阻力增加得更快。例如，将一块1米见方的平板插在自行车上，以13千米／小时的速度向前，平板上的阻力只有10牛；将这块平板插在时速41千米／小时的卡车上，板上的阻力将增加到100牛，如果将它插在时速1300千米／小时的超音速飞机上，平板上的阻力高达100千牛以上。由此可见，速度的增减对于阻力的变化所引起的作用非常巨大，为了飞得更快，人类要利用智慧克服更多的阻力。那么，为什么是超音速飞机而不是普通的低速飞机产生波阻呢?为什么形容飞机快，说其速度是超音速，而不是超其它速度呢? 飞机或者其它物体在空气中运动时，也会压缩前面的空气，使临近空气发生膨胀和压缩，形成疏密波。由于音速是空气可压缩程度的量度，所以，音速越大，空气越难被压缩。同时，飞机的飞行速度越大，飞机加给空气的压力就越大，空气被压缩得越厉害。由此可见，空气被压缩的程度，与音速成反比，与飞机飞行速度成正比。衡量空气被压缩程度的大小，可以把两个因素结合起来，它们的比值称为马赫数(M)。 马赫数越大，飞机前面的空气被压缩得越厉害，对空气动力特性的影响就越大。一般认为，当马赫数小于0.5时，即飞机作低速飞行时，空气压缩性影响不大，可以把空气密度看作是不变的：当马赫数大于0.5时，就要考虑空气的压缩特性，从而增加了研究高速飞行时的复杂性。 高速飞行的阻力墙激波阻力 20世纪30年代后期，活塞发动机螺旋桨式飞机的速度，几乎已经达到这种飞机的极限，平飞时700多千米，小时，俯冲时在重力的作用下有加速效果会接近音速。但是，此时飞行员惊讶地发现，飞机已不听使唤，开始剧烈抖振，几乎不能操纵和控制，有时抖振太剧烈，会破坏飞机结构，造成坠地失事的惨剧。这种现象被称为“音障”，音速成为飞机速度不可逾越的障碍，航空发生严重危机。 音障出现的原因是飞行速度大到一定程度时，空气被显著压缩。当飞机的飞行速度比音速还低时，同飞机接触的空气如同“通信员”，以传递声音的速度向前跑，沿途通知前方即将遭遇飞机的空气，使它们让路，飞机前面的空气才来得及从飞机周围柔顺地绕流过去。但是，当飞机以超音速飞行时，情况发生突变，此时飞机前面的空气已来不及躲避，受到飞机的冲击而被紧密地压缩在一起，堆聚起来形成一层薄薄的波面，在此之后的空气来流被压缩，压强突然升高，密度和温度随之增长，气流速度却随之降低。这个波面就叫激波，其厚度只有千分之一到万分之一毫米。但它像一堵堵墙，挡住了后面空气来流的去路，使得飞机必须冲破这些墙的层层阻隔(即波阻)，才能继续高速前进。 激波这种现象在20世纪30年代以前，对航空工业而言还很陌生，但从事炮弹研究和制造的人，早在很多年前就和它打交道了。由于炮弹在空气中运动的速度超过音速好几倍，所以总有激波存在。为减少阻力，提高速度，必须设计最好的炮弹形状。在一般情况下，人眼看不到激波的形状，但可以用光学的方法，在超音速风洞中拍成照片。 激波所产生的波阻，其数值很大，能够消耗发动机全部功率的3／4。它的大小同形成的激波面形状有关，而激波面的形状，又同高速运动着的物体形状有关，激波面相对于飞行速度(或气流速度)，可能呈垂直或偏斜状态，即有正激波和斜激波之分。如果物体的头部尖削，像矛头或刀刃似的，形成的是斜激波：物体的头部是方棱或者圆钝形，形成正激波。马赫数对于激波的形状也有影响。以炮弹为例，当马赫数等于或稍大于1时，在其尖头前面形成的是正激波，马赫数超过1很多时，形成斜激波。由于正激波的波阻总是比斜激波的大，当马赫数到达一定程度再进一步增大时，波阻的增大要比速度的增大慢一些，这也算是上帝对于人类提高飞行速度的照顾吧。 “音障”能挡住飞机的前进吗? 实际上，即使飞机的飞行速度小于1马赫，在飞机上的某个地方，仍然会产生激波，称为“局部激波”。 让我们回忆一下流体的连续性定理，当气流流过飞机机翼时，由于机翼上部圆拱，气流在这里收缩，速度增加，到圆拱度最大的地方，流速就增加到最大。若飞机前方某一点的气流速度增大，即飞机的飞行速度增大，则机翼上最圆拱处的气流速度就不断增高，总是比前方的速度高。如果前面某一点的气流速度不断增高，到机翼最圆拱处的局部速度达到音速，前方某一点的速度就叫“临界速度”，对应的马赫数称“临界马赫数”。
为提高临界马赫数，或者说，为推迟机翼上某一点的气流速度达到音速的出现时间，应该采用较扁平、较薄的翼剖面，这样在机翼的不同位置处不会出现较大的速度变化。同时，其最大厚度尽量靠近中部：如果靠前，气流速度较早达到音速：如果靠后，破坏了机翼的流线型。 当激波面形成后，气流往后流过激波面，会从超音速急剧地降为亚音速，激波面后的压强急剧增大，超过激波面前的压强，此时的激波面就像在机翼上方竖直放上了一块平板，发生气流分离，形成许多漩涡，即“激波分离”。由于局部激波后面的压强急剧升高，使得这里的压强与机翼底部压强所形成的压强差跟着降低，机翼上的升力也随之减小，如果升力减少得太多，就会造成激波失速。因此，激波对飞机飞行产生两方面的不利影响，一是波阻使得飞机的总阻力大大增加，二是使飞机升力大大降低，甚至出现激波失速。 通常机翼上表面的气流速度要比下表面的大，机翼上表面的某一点首先达到局部音速后，会出现局部激波。随着飞行速度的增长，下表面也会出现局部激波，当速度进一步增大后，机翼上下表面的局部激波会向机翼后缘移动，同时波阻也将增大。
激波面一旦形成阻力“墙”，就会沿着机翼向翼展方向铺开，可以想像，翼展越小，或者说展弦比越小，则激波阻力“墙”越窄，也就是激波阻力越小。此时为保证足够的机翼面积带来足够的升力，可以让翼剖面变宽，机翼前缘应尽量尖削，在机翼前缘处形成斜激波，以减小波阻。 鱼与熊掌不可兼得 为推迟激波的出现，飞机机翼应该尽量薄一些(严格地说，相对厚度要小)。激波出现后，为减少波阻，前缘应尖一些，翼展小一些(或者严格地说，展弦比要小)。把机翼做薄和把机翼前缘做尖，是指机翼的剖面形状；减少翼展，说的是机翼的平面形状。实际上，翼剖面的相对厚度同波阻有密切的关系，波阻大致同相对厚度的平方成正比。近代高速飞机翼剖面的相对厚度都较小，大约5％～9％，而且还有继续减少的趋势。理论实验证明，菱形的翼剖面减阻效果最好，相比双弧形的翼剖面，减少了1／4的波阻。 虽然小展弦比有助于减少高速飞行时出现的激波阻力，但为了减少诱导阻力，展弦比大一些好。因此，同时保证飞机的高速和低速飞行性能是一对矛盾，很难兼顾，正所谓鱼与熊掌不可兼得。 燕子的翅膀与飞机的后掠翼 虽然燕子无法做超音速飞行，但它的翅膀给了人类一定启示，不然飞机的后掠翼为何与燕子的翅膀如此相似。 采用后掠翼可以降低机翼上的有效速度。不但能推迟激波的出现(即提高临界马赫数)，还能减少激波阻力。气流的速度与升力垂直，当气流以一定的速度吹到平直机翼上时，整个速度可以用于产生升力，是全部有效的；而气流以同样的速度吹到后掠翼上时，机翼相对于气流速度是偏斜的，对于竖直向上的升力来说，只有垂直于升力的那一部分速度是有效的，而这一部分有效速度只是气流真实速度的一个分量，小于真实速度。所以，作用到后掠机翼上的有效速度减少了。对平直机翼来说，某个速度达到临界速度后，在它上面产生了局部激波和波阻。对后掠机翼来说，还得把速度再提高一些，才可能使它的一个分量达到临界速度。 此外，大后掠角的机翼，在它前缘和后缘形成的激波是一个斜面，整个激波面也像一个箭头，以锐角对着气流，所以比平直机翼上形成的正对气流的激波面产生的波阻要小一些。这种机翼的后掠角一般在35度～60度之间，有的达到75度。三角机翼的减阻效果和大后掠翼机翼大体相似，其根部的翼弦较长，在同样的相对厚度下，机翼的结构强度比较高，可以做得很结实、牢固，同时有更大的机翼面积，但增加了机翼重量。 在音速附近飞行的飞机，出现了一种“超临界机翼”，其外形特点是，后掠角很大，机翼和机身之间构成圆弧形，机翼后缘很弯，机翼上表面相当平坦，而且机身的轮廓向外扩展。这种超临界机翼在等音速飞行时，不会发生普通机翼出现的抖振和阻力急剧增大的问题。在这种机翼模型下安装凸起的发动机模型，在风洞中做实验，马赫数达到0.98，也不会出现激波。 歼－6飞机为什么要有翼刀 大后掠翼机翼虽然能够减少波阻，却带来翼尖失速的弊端。当迎面气流吹过后掠机翼时，有一部分沿着机翼流动，使附面层从翼根向翼尖逐渐变厚，在翼尖处形成“竖直平板”，出现气流分离，导致升力大大降低而失速。翼尖失速后，不断从翼尖向机翼中部和根部扩展，失速面积越来越大，飞机在飞行员没有察觉的情况下陷入险境，同时还导致飞机突然抬头，变得不稳定。 为阻挡大后掠角机翼上的翼尖失速，可以在后掠机翼上安装翼刀：在机翼上顺气流安装的有一定高度的薄片。我国歼－6飞机上的翼刀，就表明它是一种超音速飞机。 高速飞行和低速飞行通常是一对矛盾。很大的后掠角可以降低波阻，对超音速飞行有利，但由于展弦比和翼展小，机翼面积较小，低速飞行性能不好(例如 起飞着陆的滑跑距离较长)。因为在低速情况下，维持和产生升力必须要靠足够的机翼面积；在后掠翼情况下、如果气流相对速度已较低，后掠翼引起的有效速度将会进一步降低，这对于升力而言无异于雪上加霜。在高速情况下，升力则可以通过较高的气流速度来补偿。 在高速飞机上，如果采用大后掠翼或三角翼，尾翼一般也采用同样形式，高速飞机不但机翼和尾冀的形状很重要，机身形状也很重要。为降低波阻，一般采用头部很尖、又细又长的圆柱形机身，它的剖面最大处的直径往往只有机身长度的十几分之一，有的机身还做成中间细两头粗、蜂腰似的形状，这实际上是跨名速面积律或超音速面积律的要求，是为了保证在跨音速或超音速情况下减少激波阻力。这些办法所起的作用和采取前缘像刀刃似的薄机翼是相似的。 又一道关口——热障 对于热障，早已找到了相应的解决办法，要不然，20世纪60年代至今，天空怎么会到处飞行着超音速的军用飞机?如通过用耐高温的结构材料，如钛合金、不锈钢来制造飞机上的重要受力构件，用隔热层来保护飞机内部的构件、设备和人员，用水或其它冷却液冷却飞机结构的表面，或者特意在飞机表面采用相对容易引燃的材料带走部分热量等等，这些措施对防热都起到良好效果。 逝去的飞鸟与“协和斯基” 飞机上产生激波后，还会引起一种特殊现象，叫作“音爆”。飞机飞行较低时，你可以听到好像有雷声在轰鸣或炮弹在爆炸。这是激波传到地面后使得地面空气的压强突然增高的结果。音爆的强弱和飞机高度、速度、重量和飞行姿态等都有关系。飞机做超音速飞行时，飞行高度越低，音爆越强。在同样的飞行高度上，飞得越快，音爆也越强。 音爆的问题在超音速民航机上尤其突出，因为民航机相对于战斗机，展弦比、重量较大，飞行高度低。 “协和”号超音速客机是世界上唯一曾投入运营的超音速商用客机，英法两国于20世纪60年代研制成功。为适应超音速飞行，“协和号”采用了三角翼，机翼前缘呈S型，前机身和机头细长，而驾驶舱在机头的偏后位置，飞行员在起降时为保持一定的攻角会使机头向上，遮挡了飞行员视线。为改善起降视野，机头被设计成可下垂式。在起降时下垂一定的角度，以便飞机起降时，飞行员都有极好的视野。由于机头、机身细长且机头的下垂，使得“协和”号看起来极像一只飞鸟。 与“协和”号几乎同时，俄罗斯也曾经开发出另一种超音速客机——图－144，其外观与“协和”号类似。两者互相指责对方剽窃自己的成果，西方曾戏称图－144为“协和斯基”。1978年，因一起飞行表演时机毁人亡的事故，图－144未能投入运营。但是，人们并未因此放弃对超音速客机的追求。美国正在研制2.4马赫的超音速客机，可使现在10小时的飞行缩短到4小时，有望在2020年前后投入航线运营。 本期主要介绍了飞机在实现跨音速和超音速飞行时所面，临的激波阻力和解决办法。但是，飞机仅仅飞得快是不够的，它还要易于操纵，飞得更稳，使飞机对气流的变化所带来的任何干扰应付自如。那么，如何做到这一点呢?请看下一期：飞得平稳而又灵活——飞行原理与战斗机的划代(4)。