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 天高任鸟飞:航空航天卷
1.1.1.9 音障

音障

音障是把飞机飞行速度提高到超过声音速度时遇到的障碍。这是历史上出现的问题,现代超声速飞机的飞行速度早已超过音速了。20世纪40年代,某些战斗机的最大飞行速度已达马赫数0.5,俯冲时马赫数达到0.7以上,这时发现飞机的阻力激增、升力下降,产生很大的俯冲力矩,机翼和尾翼出现抖动,因此再提高飞机的飞行速度就十分困难。

造成声障(又称音障)的原因,主要是因为飞机上出现了局部超音速区,出现了激波,使气流严重分离、阻力剧增。解决这一问题的办法,是采用后掠翼等先进气动布局,进一步加大发动机推力。飞机在空中飞行,会与空气发生摩擦,空气受到阻滞和压缩,流速降低,动能转化为热能,使飞机表面加热。如马赫数3时,机头温度可上升到360℃,会使蒙皮和结构变形,仪表设备失灵,燃料蒸发或易燃等,从而成为影响飞机速度提高的一个障碍。

第二次世界大战后期,飞行速度达到了650~750千米/小时的战斗机,已经接近活塞式飞机飞行速度的极限。例如美国的P-5lD“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。若要进一步提高飞行速度,必须增加发动机推力,但是活塞式发动机已经无能为力。航空科学家们认识到,要向音速冲击,必须使用全新的航空发动机,也就是喷气式发动机。

要继续提高飞机的飞行速度,就必须突破声障。为了突破声障,一是采用推力足够大的喷气式发动机;二是采用后掠翼,尽量让局部超声速区延迟发生。此外,还采用蜂腰形的机身,因为跨声速飞机的横截面积分布与阻力有关,这样可以尽量减小飞机阻力。超声速飞机的速度已经超过声速,产生激波已不可避免,所能采取的办法就是如何降低激波强度、减小波阻。为此,超声速飞机通常采用三角翼或小展弦比梯形机翼,这种机翼高速飞行时波阻小;一般采用细长机身,发动机均埋装在机身之内或翼身之间。

1947年10月14日,查尔斯耶格尔驾驶美国贝尔公司生产的X-1在12 800米的高空进行了一次艰难的飞行,飞行速度达到1078千米/小时,相当于1.015马赫,首次突破了声障,成为世界上第一个飞得比声音快的人,他的名字被载入航空史册。

在人类首次突破声障之后,研制超声速飞机的进展就加快了。美国空军和海军在竞创速度记录方面展开了竞争。1951年8月7日,美国海军的道格拉斯D.558-Ⅱ型“空中火箭”式研究机的速度,达到M1.88。有趣的是,X-Ⅰ型和D.558-Ⅱ型,都被称为“空中火箭”。D.558-Ⅱ也是以火箭发动机为动力,由试飞员威廉·布里奇曼驾驶。8天之后,布里奇曼驾驶这架研究机,飞达22 721米的高度,使他成为当时不但飞得最快,而且飞得最高的人。在1953年,“空中火箭”的飞行速度,又超过了M2.0,约为2 172千米/小时。

人们通过理论研究和一系列研究机的飞行实践,终于掌握了超音速飞行的规律。高速飞行研究的成果,首先被用于军事上,各国竞相研制超声速战斗机。1954年,前苏联的米格-19和美国的F-100“超级佩刀”问世,这是两架最先服役的、仅依靠本身喷气发动机即可在平飞中超过声速的战斗机。1958年,F-104和米格-21又将这一记录提高到了M2.0。尽管这些数据都是在飞机高空中加力全开的短时间才能达到,但人们对追求这一瞬间的辉煌还是乐此不疲。将“高空高速”这一情结发挥到极致的是两种“双三”飞机——米格-25和SR-71,它们的升限高达3万米,最大速度则达到了惊人的M3,已经接近了喷气式发动机的极限。随着近年来实战得到的经验发现“高空高速”并不适用,这股热潮才逐渐冷却。