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为了适应超声速飞行,飞机进行了怎样的“变身”

来源:科普中国网 2017-10-13     

  作者:颜思铭

  1997年10月13日,英国空军驾驶员安迪-格林驾驶一辆特制喷气式汽车,在美国内华达州的沙漠中飞速行驶,以1229.55千米、时的速度首次实现了人类在陆地上突破声障的梦想。你可知道,多年以前就连飞机也很难做到突破声障。现在,让我们来看一下飞机是怎么突破声障的!

  飞行中的飞机与空气作用,会导致空气振动。空气振动就像水中的涟漪一样,一圈圈传播开去,传播的速度就是声速。当飞机的速度和声速一样快时,飞机引发的前一圈空气振动“涟漪”还来不及传递开去,就被机身扰动的后一圈“涟漪”追上。这样振动的叠加就会产生一种叫“激波”的剧烈振动。激波在产生巨大飞行阻力的同时,还会使飞机抖动、失控,甚至空中解体。在第二次世界大战后期,一些速度较快的活塞式战斗机在加速俯冲速度达到约0.9倍声速时,就会碰上这种情况,有的飞机因此机毁人亡。这些现象使当时的飞机难以突破声速,因此人们将这种现象称之为“声障”,意思是飞机在接近声速时,就像撞到墙一样,使飞机难以逾越。

  X-1火箭动力验证机

  1947年,美国空军试飞员耶格尔驾驶X-1火箭动力验证机达到了1.06倍声速。这是人类首次突破声障。不过,X-1火箭动力验证机采用的是平直翼和流线机身,相当于用火箭发动机的“蛮力”将飞机“硬推”过声速。要真正解决声障问题,根本出路还在于减小飞机的阻力。

  图-44是目前仅有的两种超声速客机之一

  随着研究的深入,人们发现了适合超声速的翼型(即机翼的横截面形状)。一般亚声速飞机的机翼都采用圆头、两侧有较厚凸起的翼型,这种翼型在跨声速和超声速飞行时阻力变得很大。要减少超声速的阻力,最好采用菱形的翼型。不过,由于飞机需要在低速到高速的整个范围内使用,翼型的选用必须兼顾高、低速特性,所以大多数超声速飞机仍采用前缘圆头的翼型,只是圆头的曲率比较小。

  除了改变翼型,飞机突破声障的最大“功臣”是后掠翼的采用。后掠翼的设想是20世纪30年代末开始提出的。人们发现,机翼上出现激波时的气流速度并不是飞机飞行的速度,而是机翼前缘垂直方向上的气流速度。如果飞机采用后掠翼,其垂直机翼前缘的气流速度分量就会低于飞行速度。因此与平直机翼飞机相比,在更高的速度下才会出现激波,从而推迟了激波的产生。即使在后掠翼的机翼上出现了激波,其压缩性效应也没有平直机翼上激波的压缩性效应那样强烈。

  美国F-15鹰式战斗机,切尖三角翼

  不过,后掠翼虽然阻力小,但由于气流在机翼垂直方向上的分量速度低,使后掠翼在低速飞行时存在升力不足的缺点。而且后掠角越大,越容易造成升力不足,降低了飞机在低速飞行时的性能。因此,现在的战斗机采用了各种手段改进飞机的低速性能。

  在后掠翼的基础上,人们又设计出三角翼。顾名思义,三角翼就是机翼平面形状是三角形的机翼,其优点是机翼刚性好,内部空间大等。在飞行性能上,三角翼基本与大后掠角的后掠翼的优缺点相同。为了使三角翼扬长避短,现在的战斗机很多采用中等后掠角的切尖三角翼。

  飞机要突破声障,在机翼方面做的改动就是采用后掠翼或三角翼,而在机身、发动机等方面同样需要改动。

  在机身方面,人们通过调整飞机的截面积分布以降低阻力。由于激波常常发生在机体截面积发生明显变化的地方,因此保证机体各处的截面积一样,就可以有效减少阻力。因此在机翼、尾翼与机身连接区的机身往往做成向内凹的形状,俗称“蜂腰”。这种设计可以在机翼截面积大的地方减少机身截面积,保证飞机的截面积基本保持不变。中国的歼-8Ⅱ战斗机就有蜂腰设计。

  在发动机方面,超声速飞机放弃了阻力较大的涡轮螺旋桨发动机,而采用阻力小、动力强劲的喷气发动机。超声速飞机的进气道和尾喷管也都按超声速飞行所需的特性进行优化。

  SR-71“黑鸟”侦察机

  突破声速后,如果再向上提高飞行速度,就会碰到另一个障碍,即“热障”。如果飞机飞行速度超过2.2倍声速,由于空气在机身、机翼的前缘被剧烈压缩而导致强烈的气动加热,会产生高达数百摄氏度的高温,从而对机体材料产生很大的影响。一般飞机都是用铝合金做蒙皮,在飞行速度小于2.2倍声速时,铝合金的强度尚可维持,但超过这个速度,达到3倍声速后,铝合金就不能满足要求了。因此可按热障速度飞行的飞机要采用其他的耐高温材料,如美国的SR-71“黑鸟”采用钛合金作为结构材料,苏联的米格-25采用不锈钢。

  同时,飞行速度超过3倍声速时,普通喷气发动机的工作效率已不能满足要求,需要采用其他的发动机。例如,“黑鸟”在飞行速度达到3倍声速时,其发动机就通过某种机构变化使其变成冲压发动机,以保证高速飞行时的效率。

  关键词:突破音障  超音速飞机

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