為了適應超聲速飛行，飛機進行了怎樣的“變身”
作者： ${content.author} 時間：2017-10-15 瀏覽量：3,6551997年10月13日，英國空軍駕駛員安迪-格林駕駛一輛特制噴氣式汽車，在美國內華達州的沙漠中飛速行駛，以1229.55千米、時的速度首次實現了人類在陸地上突破聲障的夢想。你可知道，多年以前就連飛機也很難做到突破聲障?，F在，讓我們來看一下飛機是怎么突破聲障的！
飛行中的飛機與空氣作用，會導致空氣振動?？諝庹駝泳拖袼械臐i漪一樣，一圈圈傳播開去，傳播的速度就是聲速。當飛機的速度和聲速一樣快時，飛機引發(fā)的前一圈空氣振動“漣漪”還來不及傳遞開去，就被機身擾動的后一圈“漣漪”追上。這樣振動的疊加就會產生一種叫“激波”的劇烈振動。激波在產生巨大飛行阻力的同時，還會使飛機抖動、失控，甚至空中解體。在第二次世界大戰(zhàn)后期，一些速度較快的活塞式戰(zhàn)斗機在加速俯沖速度達到約0.9倍聲速時，就會碰上這種情況，有的飛機因此機毀人亡。這些現象使當時的飛機難以突破聲速，因此人們將這種現象稱之為“聲障”，意思是飛機在接近聲速時，就像撞到墻一樣，使飛機難以逾越。
X-1火箭動力驗證機
1947年，美國空軍試飛員耶格爾駕駛X-1火箭動力驗證機達到了1.06倍聲速。這是人類首次突破聲障。不過，X-1火箭動力驗證機采用的是平直翼和流線機身，相當于用火箭發(fā)動機的“蠻力”將飛機“硬推”過聲速。要真正解決聲障問題，根本出路還在于減小飛機的阻力。
圖-44是目前僅有的兩種超聲速客機之一
隨著研究的深入，人們發(fā)現了適合超聲速的翼型（即機翼的橫截面形狀）。一般亞聲速飛機的機翼都采用圓頭、兩側有較厚凸起的翼型，這種翼型在跨聲速和超聲速飛行時阻力變得很大。要減少超聲速的阻力，最好采用菱形的翼型。不過，由于飛機需要在低速到高速的整個范圍內使用，翼型的選用必須兼顧高、低速特性，所以大多數超聲速飛機仍采用前緣圓頭的翼型，只是圓頭的曲率比較小。
除了改變翼型，飛機突破聲障的最大“功臣”是后掠翼的采用。后掠翼的設想是20世紀30年代末開始提出的。人們發(fā)現，機翼上出現激波時的氣流速度并不是飛機飛行的速度，而是機翼前緣垂直方向上的氣流速度。如果飛機采用后掠翼，其垂直機翼前緣的氣流速度分量就會低于飛行速度。因此與平直機翼飛機相比，在更高的速度下才會出現激波，從而推遲了激波的產生。即使在后掠翼的機翼上出現了激波，其壓縮性效應也沒有平直機翼上激波的壓縮性效應那樣強烈。
美國F-15鷹式戰(zhàn)斗機，切尖三角翼
不過，后掠翼雖然阻力小，但由于氣流在機翼垂直方向上的分量速度低，使后掠翼在低速飛行時存在升力不足的缺點。而且后掠角越大，越容易造成升力不足，降低了飛機在低速飛行時的性能。因此，現在的戰(zhàn)斗機采用了各種手段改進飛機的低速性能。
在后掠翼的基礎上，人們又設計出三角翼。顧名思義，三角翼就是機翼平面形狀是三角形的機翼，其優(yōu)點是機翼剛性好，內部空間大等。在飛行性能上，三角翼基本與大后掠角的后掠翼的優(yōu)缺點相同。為了使三角翼揚長避短，現在的戰(zhàn)斗機很多采用中等后掠角的切尖三角翼。
飛機要突破聲障，在機翼方面做的改動就是采用后掠翼或三角翼，而在機身、發(fā)動機等方面同樣需要改動。
在機身方面，人們通過調整飛機的截面積分布以降低阻力。由于激波常常發(fā)生在機體截面積發(fā)生明顯變化的地方，因此保證機體各處的截面積一樣，就可以有效減少阻力。因此在機翼、尾翼與機身連接區(qū)的機身往往做成向內凹的形狀，俗稱“蜂腰”。這種設計可以在機翼截面積大的地方減少機身截面積，保證飛機的截面積基本保持不變。中國的殲-8Ⅱ戰(zhàn)斗機就有蜂腰設計。
在發(fā)動機方面，超聲速飛機放棄了阻力較大的渦輪螺旋槳發(fā)動機，而采用阻力小、動力強勁的噴氣發(fā)動機。超聲速飛機的進氣道和尾噴管也都按超聲速飛行所需的特性進行優(yōu)化。
SR-71“黑鳥”偵察機
突破聲速后，如果再向上提高飛行速度，就會碰到另一個障礙，即“熱障”。如果飛機飛行速度超過2.2倍聲速，由于空氣在機身、機翼的前緣被劇烈壓縮而導致強烈的氣動加熱，會產生高達數百攝氏度的高溫，從而對機體材料產生很大的影響。一般飛機都是用鋁合金做蒙皮，在飛行速度小于2.2倍聲速時,鋁合金的強度尚可維持，但超過這個速度，達到3倍聲速后，鋁合金就不能滿足要求了。因此可按熱障速度飛行的飛機要采用其他的耐高溫材料，如美國的SR-71“黑鳥”采用鈦合金作為結構材料，蘇聯的米格-25采用不銹鋼。
同時，飛行速度超過3倍聲速時，普通噴氣發(fā)動機的工作效率已不能滿足要求，需要采用其他的發(fā)動機。例如，“黑鳥”在飛行速度達到3倍聲速時，其發(fā)動機就通過某種機構變化使其變成沖壓發(fā)動機，以保證高速飛行時的效率。
