[科普中國]-超音速飛行

相關(guān)概念音速

是指聲音在空氣中傳播的速度。高度不同，音速也就不同。在海平面，音速約為1224公里/小時。在航空上，通常用M(即馬赫)來表示音速，M=1即為音速的1倍；M=2即為音速的2倍。

音速：是溫度的函數(shù)，15攝氏度時的音速約為每秒鐘340米。馬赫：超高速單位，物體運動的速度與音速的比值為馬赫或馬赫數(shù)。亞音速：速度小于1馬赫。超音速：速度在1至5馬赫間。高超音速：速度在5馬赫以上。

推力的產(chǎn)生超音速飛機采用的是超音速燃燒沖壓發(fā)動機，它類屬于沖壓發(fā)動機。沖壓發(fā)動機的原理由法國人雷恩?洛蘭于1913年提出，1939年首次被德國用于V－1飛彈上。沖壓發(fā)動機由進氣道、燃燒室、推進噴管三部分組成，它比渦輪噴氣發(fā)動機簡單得多。沖壓是利用迎面氣流進入發(fā)動機后減速、提高靜壓的過程。該過程不需要高速旋轉(zhuǎn)的、復(fù)雜的壓氣機。高速氣流經(jīng)擴張減速，氣壓和溫度升高后，進入燃燒室與燃油混合燃燒，溫度為2000—2200℃，甚至更高，經(jīng)膨脹加速，由噴口高速排出，產(chǎn)生推力。

沖壓噴氣發(fā)動機目前分為亞音速、超音速、超音速燃燒（或高超音速）三類。亞音速沖壓發(fā)動機以航空煤油為燃料，采用擴散形進氣道和收斂形噴管，飛行時增壓比不超過1.89。速度在小于0.5馬赫時一般無法工作。超音速沖壓發(fā)動機采用超音速進氣道，燃燒室入口為亞音速氣流，采用收斂形或收斂擴散形噴管。用航空煤油或烴類作為燃料。推進速度為2至5馬赫，可用于超音速靶機和地對空導(dǎo)彈。超音速燃燒（高超音速）發(fā)動機是一種使用碳氫燃料或液氫燃料新穎的發(fā)動機，空氣在發(fā)動機內(nèi)的流速始終保持為超音速，飛行速度高達5至16馬赫。

超音速燃燒發(fā)動機同渦扇噴氣發(fā)動機存在不同。其實，它也有別于火箭發(fā)動機。雖然，多級火箭的速度極高，可達20多馬赫，但是它攜帶著全部的燃料，因而在相同體積的情況下，其有效負載低于安裝有超音速燃燒沖壓發(fā)動機的飛行器。

發(fā)展歷史人類首次超聲速飛行是1947年美國用X-1飛機實現(xiàn)的?，F(xiàn)代的軍用機大多在這個速度區(qū)內(nèi)飛行。這時波阻成為阻力的主要部分。因此把翼面做成平滑、薄而短的后掠形或三角形，機身做成尖頭細長形。超聲速飛行的特點是：氣動中心后移，縱向靜穩(wěn)定性增大；飛機阻尼隨馬赫數(shù)增大而減小。二者都導(dǎo)致飛機擾動衰減緩慢，操縱性變壞，航向穩(wěn)定性差，故需加大垂直尾翼面積或采用自動化裝置。高速飛行導(dǎo)致的氣動加熱在飛行馬赫數(shù)小于2.5時，鋁合金強度尚可維持。馬赫數(shù)達3.0后，氣動加熱加劇，須采用耐熱材料。為防止聲爆和噪聲危害，許多國家禁止在居民區(qū)上空作超聲速飛行。當飛機飛行速度接近音速時，周圍的流動態(tài)會發(fā)生變化，出現(xiàn)激波或其它效應(yīng)，會使機身抖動、失控，甚至空中解體，并且還可產(chǎn)生極大的阻力，難以突破M=1的速度。人們把這種現(xiàn)象稱之為音障。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，一些活塞式戰(zhàn)斗機在加速俯沖速度達到M=0.9時，就曾強烈感受到了音障，并有的飛機因此而失事。當噴氣式飛機出現(xiàn)后，使飛機速度有可能大幅度提高時，能否突破音障就成為航空界注視的一大焦點。英國首先開始對超音速飛機進行研究。邁爾斯公司受官方委托于1943年研制M。52型噴氣式飛機，目標是速度達到M=1.6。但由于當時有人在駕駛其它飛機接近音速時失事遇難，官方認為載人的超音速飛行太危險，后來終止了這一計劃。 美國于1944年開始了同樣研究，它采用以火箭發(fā)動機為動力。貝爾公司于1945年制造出X—1火箭實驗機，X—1的機翼很薄，平直翼型。它需由一架B—29型重型轟炸機掛在機身下帶到空中，然后在空中點火，脫離轟炸機單獨飛行。1947年10月14日，空軍上尉查爾斯·耶格駕駛X—1在12800米的高空飛行速度達到1078公里/小時，M=1.1015，人類首次突破了音障。1953年，試飛員道格拉斯駕駛著 “流星煙火”號飛機，在噴氣發(fā)動機和火箭的雙重推力下，首次以音速2倍以上的速度飛行。這說明，只要突破M=1，就不會再有音障存在。人們通過研究發(fā)現(xiàn)，采用向后傾斜的機翼可以延緩或消除音障現(xiàn)象的出現(xiàn)，并減少飛行的阻力，有利于提高飛行速度，所以后來的亞音速和超音速飛機大都采用有向后傾斜角度的后掠翼、三角翼或梯形機翼。1

超音速飛機首架超音速客機——1962年11月29日法國與英國簽署協(xié)議，共同制造超音速客機“協(xié)和”

——1963年1月13日戴高樂將軍建議，把這種超音速飛機命名為“協(xié)和”

——1969年3月2日“協(xié)和001”在法國的圖盧茲進行首次試飛 、

——1971年5月25日“協(xié)和001”在巴黎和達喀爾之間完成了其第一次國際試飛

——1976年1月21日“協(xié)和”進行第一次商業(yè)飛行，法航的航線是巴黎—達喀爾—里約熱內(nèi)盧，英航的航線是倫敦—巴林

——1977年10月17日法航開辟巴黎、紐約之間每天一班的“跨大西洋航線”

——1980年10月至1982年4月兩家航空公司先后在巴林、新加坡、里約熱內(nèi)盧、華盛頓、墨西哥等航線上取消“協(xié)和”飛機運營

——1992年10月12日一架法航的“協(xié)和”飛機以33小時零1分鐘完成自東向西方向的環(huán)球飛行，并創(chuàng)下民用飛機此類航行的記錄

——1998年10月8日一架往返于倫敦、紐約之間的英航飛機的導(dǎo)向系統(tǒng)零件脫落，但飛機安全著陸

——2000年7月25日一架法航的“協(xié)和”飛機在巴黎戴高樂機場附近墜毀，導(dǎo)致113人死亡，法航立即停止其所有“協(xié)和”飛機的飛行

——2000年8月4日-10日法國有關(guān)方面對飛機失事進行調(diào)查后認定，飛機輪胎發(fā)生爆炸、碎片刺破油箱是導(dǎo)致飛機爆炸失事的主要原因

——2000年8月15日英航停飛其所有“協(xié)和”飛機

——2001年11月7日、9日法航和英航分別開始恢復(fù)“協(xié)和”飛機的商業(yè)運營 、

——2002年11月5日一架法航的“協(xié)和”飛機從紐約飛往巴黎，在大西洋上空1臺發(fā)動機突然發(fā)生故障，在其他3臺發(fā)動機依然正常運轉(zhuǎn)的情況下，飛機安全抵達戴高樂機場

——2003年4月10日法航和英航宣布停止“協(xié)和”飛機的商業(yè)運營

——2003年5月31日法航的“協(xié)和”飛機完成最后一班飛行(紐約-巴黎)

——2003年10月24日英航的協(xié)和飛機完成最后一班飛行(紐約—倫敦)2

中國2009年6月，由中國自主研發(fā)的新一代超音速教練機“獵鷹03”號，在南昌首飛成功?！矮C鷹03”是一種融合了多項最新航空技術(shù)的新一代超音速教練機，它具有第三代戰(zhàn)斗機的大迎角機動飛行能力和高敏捷性，可用于飛行學(xué)員的基礎(chǔ)改裝訓(xùn)練或作為伴隨教練機進行戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。

在江西省南昌市洪都集團的試飛場，由中國自主研發(fā)的目前最先進的高級教練機獵鷹03號騰空而起，在經(jīng)歷了16分鐘的航線飛行和低空通場后，獵鷹03號穩(wěn)穩(wěn)地降落在跑道上，各項指標均達到設(shè)計要求。首飛完成后，試飛團隊將展開多科目的拓展性飛行工作，盡早實現(xiàn)獵鷹03號的量產(chǎn)。

對于教練機來說，座在后艙較高的位置是飛行教官，而前艙是學(xué)員。這也是教練機不同于其他飛機的一個特殊的地方。

獵鷹03號最大的不同，在于它的外型。獵鷹教練機總設(shè)計師張弘介紹稱，主要是采用第三代機的氣動布局，大的邊條翼，翼身融合，配合翼下的進氣道，使得這個飛機的機動能力非常強，可以快速地改變機頭指向3.

一般來說，人們會用機動性這個詞來衡量一架飛機性能的優(yōu)劣，決定這個性能很重要的裝置就是發(fā)動機，獵鷹03號有兩臺發(fā)動機，而且這些發(fā)動機都是靠計算機來控制的。飛行員拉油門桿的動作，出來的是電信號，通過計算機結(jié)合各種參數(shù)，向發(fā)動機發(fā)出控制指令，為飛機提供時實的充沛的動力，國內(nèi)的教練機上是首次使用。4

美國據(jù)傳，美國軍方正在秘密研制一種新型的飛機發(fā)動機技術(shù)，這種技術(shù)以二戰(zhàn)時德國的V-1導(dǎo)彈為原型。這種采用脈動式噴氣發(fā)動機的新型飛機已經(jīng)在美國猶它州的上空進行了試飛。專家們作出這一判斷的根據(jù)：天空中形成的一種神秘冷凝尾跡。

居住在美國猶它州瓦斯特山區(qū)的工程師辛格利亞幾乎不能相信自己的眼睛：在藍藍的天空中突然出現(xiàn)了飛機飛過后的冷凝尾跡，這種尾跡并不呈直線狀，而是像是用一個繩子

串起來的數(shù)個像油炸圈餅一樣的圓環(huán)。辛格利亞立即跑到閣樓，抓起相機拍下了這個神秘的冷凝尾跡。他說：“這些白色圓環(huán)狀的冷凝尾跡非常清楚，是剛剛形成的?！?/p>

這一天是2004年3月21日。居住在山區(qū)的辛格利亞從來沒有見到這么神秘的景象。專家稱，他可能目擊到裝備脈動式噴氣發(fā)動機的絕密超音速飛機在飛行時所出現(xiàn)的冷凝尾跡。美國空軍可能正在秘密研究這種絕密的超音速飛機，但有可能是中央情報局在研制這種飛機。

十二年前，有人曾在洛杉磯看到過這種神秘的冷凝尾跡，而且還伴隨有巨大的響聲，整個市區(qū)和大部分南加州地區(qū)都能聽到這個巨大的響聲。它的聲波是如此的大以致于地震監(jiān)測中心都能收到。人們還在科羅拉羅州和德克薩斯州看見到這種神秘的冷凝尾跡。專家稱，這種神秘的冷凝尾跡是一種新型的發(fā)動機所留下的，這種“脈沖爆震波”發(fā)動機技術(shù)是以二戰(zhàn)時期德國的V-1導(dǎo)彈為基礎(chǔ)的，它依靠汽體混合物的爆震波來壓縮燃料氧化混合物，使混合物燃燒后推動飛機加速。這樣的發(fā)動機技術(shù)就會產(chǎn)生辛格利亞在猶他州所見到的那種一系列的圓環(huán)狀的飛行冷凝尾跡。著名的美國航空專業(yè)雜志《航空周刊和宇航技術(shù)》在一篇名為“脈沖式噴氣發(fā)動機又回來了？”文章中引用了辛格利亞所拍攝的照片。辛格利亞說那些研究這種先進發(fā)動機技術(shù)的人給他留下了深刻印象，他對目擊到神秘的飛行冷凝尾跡的評論是：“他們的工作干得非常棒?！?/p>

目擊者都稱，這種脈動式噴氣發(fā)動機的速度非常驚人。美國專家稱，這種飛機的速度可達六倍音速。英國武器專家斯威特尼說，這種飛機的速度也許能達到八倍音速。美國宇航局所研制的X-43A在不久前就曾創(chuàng)造了七倍音速的最高飛行速度，不過這是在加利福尼亞海岸公開進行的，X-43A以超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動機為推動裝置，由美國東岸至西岸只需半小時的飛行時間。一架B-52型轟炸機先把配組有“飛馬”助推火箭的X-43A載到7200米的高空，然后釋放。接著，“飛馬”助推火箭把X-43A推進到7馬赫速度后脫落，X-43A再點燃自身的發(fā)動機，飛行10秒、大約27公里，然后墜入太平洋。超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動機與脈動式噴氣發(fā)動機工作模式相近，只是沖壓噴氣發(fā)動機自身沒有發(fā)動部件，需要火箭的起始推力來達到超音速推力狀態(tài)。

英國武器專家斯威特尼說，這種新研制的裝備脈沖式噴氣發(fā)動機的間諜飛機可能將取代SR-71“黑鳥”間諜飛機，目前美國有三架SR-71“黑鳥”間諜。這種新型的、超音速的間諜飛機很符合美國國防部的需求，由于間諜衛(wèi)星無法對處于黑夜的地球部分地區(qū)實施偵察，這種新型偵察飛機將能彌補這一缺隙。有專家稱，這種新型間諜飛機可能就是傳聞中的“曙光女神”，它能以六倍的音速的速度飛行，預(yù)計將取代u-2和SR-71間諜飛機。

這種裝備脈沖式噴氣發(fā)動機的間諜飛機在猶他州上空現(xiàn)身也是有充分理由的：在鄰近的內(nèi)華達州的沙漠里有美國空軍的一個絕密基地：51區(qū)。51區(qū)的格魯姆湖實驗場擁有一條長達九公里的跑道，是美國最長的普通跑道的兩倍，這樣長的跑道非常適合裝備脈動式噴氣發(fā)動機的飛機的實驗。5

超音速飛行第一人美國費利克斯·鮑姆加特納

當?shù)貢r間3月15日，美國羅斯威爾，高空極限跳傘運動員、奧地利“跳傘狂人”費利克斯·鮑姆加特納從距離地面21800米高空跳下并安全著陸。據(jù)介紹，這是今年8月份超高空極限跳傘前的熱身，屆時他將從3.7萬米的高空跳下，進入超音速飛行狀態(tài)。

按計劃，鮑姆加特納將爬進8英尺的“太空梭”，乘坐充滿氦氣的氣球上升至3.7萬米的超高空，然后一躍而下，直到跌至約1500米才打開降落傘。從跳傘到抵達地面僅需10分鐘，預(yù)計其中的35秒鐘將處于超音速飛行狀態(tài)。如果成功，他將僅僅依靠重力加速度打破音障，成為第一個真正意義上超音速飛行的人類。

超越音速的危險在整個“自由落體”過程中，最大的危險是鮑姆加特納要防止在超音速俯沖過程中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)暈厥?，F(xiàn)人類最高跳傘紀錄保持者喬·奇廷爾在1960年成功從10.2萬英尺(約3.1萬米)高空跳下。當年，他在高空急速下降的過程中，就出現(xiàn)了眩暈現(xiàn)象，他甚至失去了意識和知覺，沒能打開降落傘。幸好，自動開傘裝置及時啟動，救了他一命。因為這種“亡命”的危險，50年過去，很少有人敢嘗試和挑戰(zhàn)這個高度。

如果鮑姆加特納今年成功，他將打破四個世界紀錄：最高海拔的自由落體飛行、載人氣球飛行的最大高度、最長距離的自由落體飛行以及最快達超音速的人體飛行。

他的超級裝備要完成一個突破人類極限的壯舉，鮑姆加特納需要強有力的裝備支持——那些貴重又稀奇的高科技。

“超音速頭盔”

特制的“超音速頭盔”能保護他的頭部，在超越音速的下降中，不會受到太大的壓力沖擊，以防止他暈厥。此外，頭盔還配有遮擋太陽的功能，以幫助他保持清晰的視覺。

“宇航服”

他的跳傘服類似于宇航員的宇航服，但比宇航服更輕盈，活動更自由。這套裝備具有增壓功能。因為在高空下降中，大氣壓力會迅速下降，液體的沸點也會急速下降，如果沒有保護，他的血液就會在低壓下“沸騰”。此外，里面還將提供大約維持20分鐘的氧氣，這套衣服還要抵御下降過程中零下70℃的低溫。

飛行器

鮑姆加特納挑戰(zhàn)的高度，已經(jīng)超越了一般民航飛機飛行高度的3至6倍，因此，他乘坐的飛行器已經(jīng)類似于宇航飛船一樣的升空艙，這個大家伙重約1.13噸，在一直徑達182米的氦氣球的牽引下，上升至海拔3.65萬米的平流層，隨后打開艙門后由一個彈射器將他彈出。6

主要特點超音速飛行的特點是：

1.氣動中心后移，縱向靜穩(wěn)定性增大；

2.飛機阻尼隨馬赫數(shù)增大而減小。

二者都導(dǎo)致飛機擾動衰減緩慢，操縱性變壞（見擾動運動模態(tài)），高空中尤甚。故駕駛動作應(yīng)柔和，桿、舵要協(xié)調(diào)。由于水平尾翼、垂直尾翼效率降低，鉸鏈力矩劇增，且變化規(guī)律復(fù)雜，需用全動水平尾翼和不可逆助力器。尾翼效率的降低使飛機的航向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性（見飛行器動態(tài)特性）都隨馬赫數(shù)的增加而下降。特別是高空飛行，航向穩(wěn)定性更差，故需加大垂直尾翼面積或采用自動化裝置或限制飛行馬赫數(shù)。因高空空氣稀薄，大氣溫度低，使飛行速度范圍小，加速慢和爬升率降低。當高度劇變時，高度表和速度表指示將產(chǎn)生較大的延遲誤差，真速和表速指示值差別加大。

應(yīng)用設(shè)備沖壓噴氣發(fā)動機

音速：是溫度的函數(shù)，20攝氏度時的音速約為每秒鐘340米。馬赫：超高速單位，物體運動的速度與音速的比值為馬赫或馬赫數(shù)。亞音速：速度小于1馬赫。超音速：速度在1至5馬赫間。高超音速：速度在5馬赫以上。

高超音速飛機采用的是超音速燃燒沖壓發(fā)動機，它類屬于沖壓發(fā)動機。沖壓發(fā)動機的原理由法國人雷恩?洛蘭于1913年提出，1939年首次被德國用于V－1飛彈上。沖壓發(fā)動機由進氣道、燃燒室、推進噴管三部分組成，它比渦輪噴氣發(fā)動機簡單得多。沖壓是利用迎面氣流進入發(fā)動機后減速、提高靜壓的過程。該過程不需要高速旋轉(zhuǎn)的、復(fù)雜的壓氣機。高速氣流經(jīng)擴張減速，氣壓和溫度升高后，進入燃燒室與燃油混合燃燒，溫度為2000—2200℃，甚至更高，經(jīng)膨脹加速，由噴口高速排出，產(chǎn)生推力。

沖壓噴氣發(fā)動機目前分為亞音速、超音速、超音速燃燒（或高超音速）三類。亞音速沖壓發(fā)動機以航空煤油為燃料，采用擴散形進氣道和收斂形噴管，飛行時增壓比不超過1.89。速度在小于0.5馬赫時一般無法工作。超音速沖壓發(fā)動機采用超音速進氣道，燃燒室入口為亞音速氣流，采用收斂形或收斂擴散形噴管。用航空煤油或烴類作為燃料。推進速度為2至5馬赫，可用于超音速靶機和地對空導(dǎo)彈。超音速燃燒（高超音速）發(fā)動機是一種使用碳氫燃料或液氫燃料新穎的發(fā)動機，空氣在發(fā)動機內(nèi)的流速始終保持為超音速，飛行速度高達5至16馬赫。

設(shè)備區(qū)別今天噴氣式飛機使用的最普通的噴氣發(fā)動機是渦扇噴氣發(fā)動機。帶有外涵道的噴氣發(fā)動機的早期設(shè)計出現(xiàn)在20世紀30年代。40和50年代，人們對早期的渦扇發(fā)動機進行了試驗。然而，由于對風扇葉片設(shè)計制造的要求非常高，因此直到60年代，人們才得以制造出符合渦扇發(fā)動機要求的風扇葉片，從而揭開了渦扇發(fā)動機實用化的階段。渦扇噴氣發(fā)動機由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，發(fā)動機利用氣壓機先對進入發(fā)動機的空氣進行壓縮，壓縮的空氣和燃料混合并被點燃，隨后氣體爆炸推動飛機前進，后面的渦扇和前面的壓縮機處在同一根軸承上。

超音速燃燒發(fā)動機同渦扇噴氣發(fā)動機存在不同。其實，它也有別于火箭發(fā)動機。雖然，多級火箭的速度極高，可達20多馬赫，但是它攜帶著全部的燃料，因而在相同體積的情況下，其有效負載低于安裝有超音速燃燒沖壓發(fā)動機的飛行器。