比声音还快--超音速飞机的历史[01] 自从莱特兄弟为人类插上翅膀以来，人们一直梦想着飞得更高更快。英国人 Frank Whittle 于 1930 年申请了第一个喷气式发动机的专利，德国人 Hans Von Ohain 在不知情的情况下，于 1936 年也独立申请了自己的专利。两者的基本原理相近，但具体细节不同。Whittle 的发动机到 1941 年才在 Gloster Pioneer 上试飞，而 Ohain 的发动机在 39 年就首先在 Heinkel 178 验证机上试飞了。在第二次世界大战还在如火如荼的 1942 年，英国的迈尔斯飞机公司（Miles Aircraft Co）就受命开始秘密设计 M52 超音速飞机，但由于战事紧张和国力衰竭，英国政府下令迈尔斯将所有设计数据移交给美国，贝尔飞机公司接手之后，于 1948 年成功地将 X-1 实验型飞机飞上天，在著名的试飞员 Chuck Yeager 的操控下，于 1947 年 10 月 14 日首次在平飞中突破音速。在 1948 年 10 月的试验中，M52 的 30% 比例模型也达到 M1.5，证明英国人原来的计算和设计是正确的。   左：Miles M52 超音速研究机，后来首先突破音障的贝尔 X-1 用的是火箭发动机，M52 用的可是货真价实的涡喷发动机 右：贝尔 X-1 火箭飞机，历史上首次在平飞中突破音障的有人驾驶飞机   左：为了最大限度地节约燃料，X-1 是用 B-29 带到空中投放后再点火飞行的，据说 X-1 的火箭发动机点火成功率不怎么样，万一点火失败，飞行员只有很短的时间决定跳伞，滑翔是不可能的 右：美国历史上最著名的试飞员 Chuck Yeager，早年曾参加二战的欧洲空战，在法国上空被击落后，借道西班牙逃回英国。当时条令规定，逃回的飞行员不再到占领区上空作战，大概是担心飞行员有心理障碍，但 Yeager 直接向艾森豪威尔请求重返欧陆上空，获得特许，以后曾在一天内连续击落 5 架敌机，战争结束时总战绩 11.5 架，包括一架 Me262。在 75 年从空军退役时，官拜准将，30 年后，获国会特别推荐，于 2005 年晋升少将   左：Chuck Yeager 和他的 X-1。按二战时就开始的老规矩，命名为 Glamorous Glennis，Glennis 那时还是女朋友，后来成为妻子。Glennis 死后 13 年，Yeager和小他 36 岁的 Victoria D’Angelo 结婚，子女把后妈告上法庭，说她纯粹是为了名利，Yeager 一世英雄，到老了反而摊上这么一摊烂事 右：除了从事研究性试飞外，Yeager 也是美国空军作战飞机试飞和评估的主力，在 1947-54 年期间，平均每月要飞 100 小时以上，有一个月竟然飞了 27 种不同型号的飞机   左：Chuck Yeager 后来离开试飞员的行当，担任一线战斗机部队的中队长、联队长，在 67 年北朝鲜扣押美国情报船“普韦布洛”号事件中，负责空中行动。在 62-64 年担任试飞员学校校长期间，训练了第一批宇航员，小说和电影 The Right Stuff 就是讲的这一段。Yeager 的最后职务是驻德国拉姆斯坦茵的第 17 航空队副司令 右：老家伙现在还不闲着，时不时上天遛一圈。左面的 Bob Hoover，二战中在欧洲被击落被俘，逃出集中营，偷了一架 Fw 190 战斗机自己飞回来了。右面的是 Frank Borman，双子星 7 号飞船的指令长，首次实现太空对接，后任阿波罗 8 号指令长，首次飞出地球轨道，绕月飞行 人们很早就知道，推力只是实现超音速飞行的一部分。物体以接近音速飞行时，空气的性质变了。飞机飞行时，对前方空气产生压缩，形成的压力波以音速传播。在 0.8 倍音速以下的亚音速飞行时，压力波跑在飞机前面，在一定程度上起到把前方空气推开的作用。但以音速飞行时，前方的压力波“躲闪不及”，叠在一起，阻力急剧增加，阻力比亚音速时增加 3 倍，飞机就像一头撞到一堵墙上一样，这就是“音障”（sound barrier）之说的来源。然而，速度继续增加至 1.2 倍音速以上时，飞机跑到压力波前面去了，飞机的机头形成锥形激波，空气压力沿激波前锋急剧升高。激波前锋之后的压力急剧下降，到机尾压力达到负压，在机尾后压力急剧恢复到常压，整个压力分布呈骤升-缓降-骤升的 N 形，所以常被称为 N 形波。由于 N 形波前锋的拖带和后缘的推动，超音速飞行的飞机所在的 N 形波中间部分的气流反而是亚音速的。激波在正好音速的时候，几乎是垂直于飞机前进方向的平面；随速度增加，激波呈越来越尖锐的锥形，速度增加，锥形的“后掠角”也增加，所以超音速飞行的阻力增加的速率随速度的增加反而下降，超音速后，速度增加一倍，阻力只增加 30-50%。这个性质只和音速或马赫数有关，不管在什么高度，飞机以相同的马赫数飞行，其经受的气动条件是等同的，而和以公里/小时计算的实际速度和高度的关系不大，所以高速飞机常用音速而不是实际速度来描述。音速或马赫数随空气条件而改变，但不是单调地改变，也就是说，并不是一路上升或一路下降，而是有升有降。在海平面时，音速为 1,225.1 公里/小时。到 10,000 米高空，音速降为 1,078.3 公里/小时。但超过 20,000 米高度后，音速又随高度增高，比如，30,000 米时，音速为 1,086.2 公里/小时。但是 48,000 米以上时，音速又开始下降。  音速以马赫数度量，马赫数当然就是以奥地利物理学家 Ernst Mach 命名的。说他是奥地利物理学家，捷克人可能要不满意，因为马赫出生于捷克的 Brno，后来也回到布拉格的 Charles 大学做教授，但他的学业和主要研究是在奥地利完成的。捷克是当时奥匈帝国的一部分。这是马赫同学的尊容  左：随着飞机速度的增加，飞机对前方空气压缩形成的压力波不断被压紧，在音速的时候被压到一起，阻力急剧增加。超过音速后，飞机把压力波甩到身后，阻力反而减小 右：波导阻力在音速达到最高 左：超音速飞行时，激波后的空气压力和温度急剧下降，导致水汽冷凝，形成雾化现象 右：风洞里 F-14 的激波图像 |
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