與聲音“賽跑”
———超音速飛機漫談

文/王依兵

◎軍艦鳥

自然界的很多鳥類和昆蟲都掌握著高超的飛行技巧，例如蜻蜓可以在向前飛和懸停狀態(tài)之間迅速切換，雄鷹可以充分利用上升氣流進行盤旋和滑翔，這些動物的飛行技術(shù)和靈活性使人類嘆為觀止。但是在飛行速度方面，人類制造的飛行器卻具備動物們無法達到的境界：超音速飛行。據(jù)說，鳥類中的“短跑冠軍”——軍艦鳥在捕獵的瞬間，飛行速度可達116米/秒（每秒飛行116米），而最普通的超音速飛機飛行速度可以輕松地超過它兩倍以上。不過，你可不要以為人類做到這一點是很輕松的，科學(xué)家們曾經(jīng)為此可是付出了巨大的努力。

超音速的攔路虎——音障

自從1903年萊特兄弟實現(xiàn)了人類第一次有動力可控飛行以后，人類的航空技術(shù)發(fā)展迅速，飛行速度也越來越快。到20世紀40年代，使用活塞式發(fā)動機的螺旋槳動力飛機的最大平飛速度已經(jīng)可以達到195米/秒。然而，人們很快發(fā)現(xiàn)，若想繼續(xù)提高飛行速度，一個很難克服的問題出現(xiàn)了……當飛行速度接近音速時，飛機的阻力會突然增大，機頭就像頂著一個巨大的彈簧一樣，不僅如此，整個飛機還會發(fā)生劇烈的震動，嚴重時會導(dǎo)致飛機解體。這種阻礙飛機超音速飛行的現(xiàn)象被稱為“音障”。

從空氣動力學(xué)的角度來看，飛機在向前飛行時會對周圍的空氣產(chǎn)生擾動，就像快艇在水面上行駛時會擾動水面形成水波一樣。你有沒有注意過，快艇在水面上行駛的速度不同，它對周圍的水的“擠壓”程度就會不同，那么它四周形成的水波形態(tài)也就不同了。同樣的道理，飛機以不同的速度飛行時，它四周的空氣“波紋”也會不同。具體來說，當飛機的飛行速度為0時，它對空氣的擾動會以聲音的傳播速度均勻地向四面八方傳播；當飛行速度低于音速時（低音速飛行），擾動的傳播會在前進方向上被稍稍壓縮；當飛行速度達到音速后（跨音速飛行），恰好飛行速度與擾動傳播速度一致，擾動在前進方向一側(cè)被壓縮在非常狹小的區(qū)域內(nèi)；當飛行速度大于音速后（超音速飛行），這個壓縮界面會被拖長為一個圓錐形。為了紀念奧地利科學(xué)家恩斯特·馬赫對超音速問題的研究貢獻，這個“圓錐”被命名為“馬赫錐”。如果你見過水面上航行的快艇，那么請你回憶一下快艇行進時激起的水波，就可以更直觀地理解“馬赫錐”的含義了。

飛機在超音速飛行時造成的強擾動形成的邊界波是一層致密的空氣層，氣流經(jīng)過這個位置會被強烈地壓縮，密度和溫度也隨之升高，這個超強的壓縮邊界波就被稱為“激波”。由它引起的巨大阻力則稱為激波阻力。

◎恩斯特·馬赫

◎低音速飛行

◎跨音速飛行

◎超音速飛行

最容易誤會的參數(shù)——馬赫數(shù)

提到著名的科學(xué)家馬赫，就不能不說一個以他的名字命名的概念——馬赫數(shù)，可以寫為Ma。它的含義是：馬赫數(shù)等于幾，速度就是當?shù)匾羲俚膸妆丁＠纾琈a=1的含義就是速度為一倍音速，而Ma=2的含義就是速度為兩倍音速。

如果你認為自己已經(jīng)充分理解了這個概念，那么下面就來考考你。很多人都從書上得知，聲音的傳播速度是340米/秒，那么如果一個飛行器以Ma=2的速度飛行，它的飛行速度可以換算成每秒多少米呢？如果你的回答是680米的話，你就上當啦！因為馬赫數(shù)指的是“當?shù)亍币羲俚谋稊?shù)，而聲音的傳播速度取決于溫度、壓力等諸多因素。我們平時所看到的340米/秒這個數(shù)據(jù)指的其實是15℃時、標準大氣壓下的音速。一般來說，飛行高度越高，空氣越稀薄，相應(yīng)的音速也會隨之降低，到達萬米高空時，音速就已經(jīng)降到300米/秒以下，不能直接用340米/秒這個數(shù)據(jù)計算實際飛行速度了。因此，網(wǎng)上很多數(shù)據(jù)“高估”了飛機的飛行速度，就是因為犯了這個錯誤。

飛機的飛行速度劃分

Ma≤0.4

0.4＜Ma≤0.75

0.75＜Ma≤1.2～1.4

1.2～1.4＜Ma＜5.0

Ma≥5.0

低音速飛行

亞音速飛行

跨音速飛行

超音速飛行

高超音速飛行

音爆

我們已經(jīng)了解，當物體運行速度接近音速時，會有一股強大的阻力，使物體產(chǎn)生強烈的震蕩，以至速度衰減，這一現(xiàn)象被稱為“音障”。而當飛機突破音障時，由于飛機本身對空氣的壓縮使空氣無法迅速傳播，逐漸在飛機的迎風面累積，最終形成激波面。在激波面上聲學(xué)能量高度集中。這些能量傳到地面時，會形成雷鳴般的爆炸聲。

音爆的能量巨大，一架在 16 000米高空以兩倍音速飛行的協(xié)和客機產(chǎn)生的音爆對地面的壓強高達100帕，相當于給一塊一平米左右的玻璃窗施加約100牛頓的力。而音爆的強弱以及對地面影響的大小，與飛機飛行高度有著直接的關(guān)系。因為，激波和水波一樣，距離越遠，波的強度越弱。當飛機做低空超音速飛行時，不但地面上的人能聽到震耳欲聾的巨響，影響人們的生活和工作，嚴重的還會震碎玻璃，甚至損壞一些建筑物。隨著飛行高度的增加，這種影響會越來越弱，當超過一定的高度后，音爆對地面的影響就會消失。

突破音障的法寶

經(jīng)過研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)音障的存在主要是由于激波的產(chǎn)生，只要有足夠的推力，飛機是完全可以突破音障的。但是憑借傳統(tǒng)的活塞式發(fā)動機是很難突破音障的，一方面活塞式發(fā)動機的推力有限；另一方面螺旋槳尖端在飛機超音速前就已經(jīng)局部達到音速，激波阻力會激增。如此看來，人們需要研制一種新型的航空發(fā)動機才能實現(xiàn)超音速飛行。在這種情況下，突破音障的法寶應(yīng)運而生，它就是噴氣發(fā)動機！

音爆云

在突破音障時伴隨的另一個奇特現(xiàn)象是“音爆云”，這是由于在激波面后方由于氣壓增加而壓縮周圍的空氣，使水汽凝結(jié)成微小的水珠，看上去就像云霧一般。而這種云霧俗稱為“音爆云”，它的學(xué)名為普朗特-格勞厄脫凝結(jié)云。

◎完成人類第一次超音速飛行的X-1試驗機

其實，早在20世紀30年代初，噴氣發(fā)動機的設(shè)計理念就已經(jīng)被提出來了。1939年，德國試飛了世界上第一架噴氣式飛機He-178；1941年，英國緊隨其后成功研制出裝有噴氣發(fā)動機的飛機E-28/29。此后，美國的F80和蘇聯(lián)的雅克-15、米格-9等噴氣戰(zhàn)斗機相繼誕生。但是，由于沒有掌握減少激波阻力的方法，噴氣發(fā)動機最初并未與“超音速飛行”聯(lián)系在一起。所以，人類首次突破音障的飛行試驗是利用火箭發(fā)動機完成的。1947年10月14日，美國空軍飛行員查爾斯·耶格駕駛X-1試驗機首次進行了Ma=1.1015的跨音速飛行。實驗的過程是：先用B-29轟炸機掛載X-1飛行，然后X-1上的火箭發(fā)動機在空中點火后幫助X-1脫離轟炸機加速飛行。

很快，美國和蘇聯(lián)的專家在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后從德國繳獲的技術(shù)資料中，獲得了后掠機翼設(shè)計的啟發(fā)。這種設(shè)計能夠有效減小激波阻力，再加上大推力噴氣發(fā)動機的應(yīng)用，20世紀50年代后，世界航空終于進入超音速時代。

發(fā)展迅猛的超音速戰(zhàn)斗機

當飛行速度超過音速后，空氣動力特性發(fā)生了很大變化，飛機設(shè)計理念也需要進行相應(yīng)的調(diào)整。比如，從前適合低速飛行的平直機翼在超音速飛行時容易造成很大的激波阻力，后掠機翼便成為超音速飛機的首選。人們還發(fā)現(xiàn)，尖銳前緣外形可以更好地減小激波阻力。在超音速空氣動力學(xué)和飛機設(shè)計理論的不斷發(fā)展下，第一代超音速戰(zhàn)斗機問世了。美國的F-100戰(zhàn)斗機和蘇聯(lián)的米格- 19戰(zhàn)斗機就是其中的典型代表。我國的殲-6戰(zhàn)斗機就是在米格- 19的基礎(chǔ)上仿制和發(fā)展而來的，這型戰(zhàn)斗機在中國人民解放軍空軍服役半個多世紀，為保衛(wèi)祖國領(lǐng)空立下了汗馬功勞，直到2010年才完全退役。

在第一代超音速戰(zhàn)斗機問世的幾年后，可以達到兩倍音速（Ma=2）的第二代超音速戰(zhàn)斗機就出現(xiàn)了，例如美國的F-104戰(zhàn)斗機和蘇聯(lián)的米格-21戰(zhàn)斗機。我國的殲-7、殲-8戰(zhàn)斗機也屬于第二代超音速戰(zhàn)斗機。隨著飛行速度的進一步提高，飛機與空氣摩擦產(chǎn)生的氣動熱明顯增加，這對飛機結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生了威脅。當飛行速度達到三倍音速（Ma=3）時，機頭溫度將達到370℃左右，傳統(tǒng)的鋁合金材料很難承受這般高溫，于是這種技術(shù)困難就被稱為“熱障”。到了20世紀60年代，由于材料技術(shù)的進步，熱障已經(jīng)被突破，很多飛機的飛行速度都可以超過三倍音速，如美國的SR-71偵察機、蘇聯(lián)的米格-25戰(zhàn)斗機等。

20世紀70年代，各國不再追求增加戰(zhàn)斗機的飛行高度和速度，而是更加注重低空機動性能。裝備先進雷達和新一代導(dǎo)彈的第三代戰(zhàn)斗機走上了歷史舞臺，其中，著名的戰(zhàn)斗機有美國的F-15、F-16和F-18，蘇聯(lián)的米格- 29、蘇- 27等。我國自主研發(fā)的殲-10戰(zhàn)斗機由于在部分性能指標上高于第三代戰(zhàn)斗機的標準，因此被很多人稱為“三代半”戰(zhàn)斗機。

目前，世界上已經(jīng)服役的最先進戰(zhàn)機是第四代超音速戰(zhàn)斗機（俄羅斯稱“第五代”，后來美國也改稱“第五代”），包括美國的F-22、F-35，中國的殲-20以及俄羅斯的蘇-57戰(zhàn)斗機。2018年3月，蘇-57在敘利亞完成了測試項目。新一代的戰(zhàn)斗機具有優(yōu)越的隱身性能、綜合航電系統(tǒng)，更加適合現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化作戰(zhàn)環(huán)境。

暫時沉寂的超音速客機

◎協(xié)和號客機

當然，除了軍事領(lǐng)域外，民用飛機中也不乏超音速飛機的身影。20世紀60年代，超音速戰(zhàn)斗機的巨大發(fā)展給人們創(chuàng)造了很大的想象空間，人們開始夢想坐上更加快速的超音速民航客機。1969年，蘇聯(lián)圖波列夫設(shè)計局設(shè)計的圖-144客機和英國、法國聯(lián)合研制的協(xié)和號客機先后進行了超音速飛行試驗，并取得了成功。這兩型飛機也是目前世界上正式投入運營的僅有的兩型超音速客機。而這兩型超音速客機的命運都十分坎坷，并且都已黯然退出了歷史舞臺。

我們先來說說圖-144吧。早在1968年的12月31日，圖-144就進行了首飛，但那一次并沒有進行超音速飛行。1969年6月5日，圖-144搶在協(xié)和號前面進行了超音速試飛。試飛后，設(shè)計人員對圖-144進行了很多調(diào)整改進，甚至在機頭后側(cè)增加了一對小鴨翼。1973年，改進后的圖-144參加了巴黎航展，但飛機在表演過程中發(fā)生事故，當著競爭對手協(xié)和號和30萬觀眾的面，在空中突然解體，導(dǎo)致6名機組人員和8名地面人員喪生。這使得人們對超音速客機的安全性產(chǎn)生了質(zhì)疑。1975年，圖-144開始承擔貨運任務(wù)；1977年11月開始運營莫斯科至阿拉木圖的客運航線。不過，據(jù)說圖-144的噪聲很大，以至于乘客無法聽到彼此說話的聲音，只能用寫字的方式進行交流。1978年，圖-144停止了客運飛行。1984年，圖-144停止了所有正式的商業(yè)運營。在圖-144停止正式的商業(yè)運營前，這型飛機一共生產(chǎn)了16架，其中包括其改進型圖-144S和圖-144D。

說完了命途多舛的圖-144，下面我們再來說說它的“難兄難弟”協(xié)和號。1969年3月，協(xié)和號首飛，同年10月1日完成了首次超音速飛行，1976年初正式投入商業(yè)運營。但是和圖-144一樣，協(xié)和號也發(fā)生過非常嚴重的事故。2000年7月25日，法航的協(xié)和號客機從戴高樂機場起飛時，輪胎被金屬片刺中導(dǎo)致爆胎，輪胎碎片又擊中了油箱，最終導(dǎo)致飛機失事，造成109人遇難。這次事故對協(xié)和號來說是一次沉重的打擊。由于高昂的運營成本、飽受質(zhì)疑的安全性以及不盡如人意的舒適度等因素，協(xié)和號也沒能逃脫停飛的命運。2003年11月26日，協(xié)和號執(zhí)行了最后一次飛行任務(wù)后全部退役。從那時至今，在全世界范圍內(nèi)，超音速客機的運營陷入沉寂。

總之，安全性、經(jīng)濟性和舒適性都制約著超音速客機的發(fā)展。不過，超音速客機的前景依然廣闊。就像超音速戰(zhàn)斗機曾經(jīng)走過的發(fā)展歷程一樣，相信隨著技術(shù)的不斷進步，在不久的將來，我們會看到更加舒適、安全的超音速客機重返云霄。