与声音“赛跑”———超音速飞机漫谈

文/王依兵

◎军舰鸟

自然界的很多鸟类和昆虫都掌握着高超的飞行技巧，例如蜻蜓可以在向前飞和悬停状态之间迅速切换，雄鹰可以充分利用上升气流进行盘旋和滑翔，这些动物的飞行技术和灵活性使人类叹为观止。但是在飞行速度方面，人类制造的飞行器却具备动物们无法达到的境界：超音速飞行。据说，鸟类中的“短跑冠军”——军舰鸟在捕猎的瞬间，飞行速度可达116米/秒（每秒飞行116米），而最普通的超音速飞机飞行速度可以轻松地超过它两倍以上。不过，你可不要以为人类做到这一点是很轻松的，科学家们曾经为此可是付出了巨大的努力。

超音速的拦路虎——音障

自从1903年莱特兄弟实现了人类第一次有动力可控飞行以后，人类的航空技术发展迅速，飞行速度也越来越快。到20世纪40年代，使用活塞式发动机的螺旋桨动力飞机的最大平飞速度已经可以达到195米/秒。然而，人们很快发现，若想继续提高飞行速度，一个很难克服的问题出现了……当飞行速度接近音速时，飞机的阻力会突然增大，机头就像顶着一个巨大的弹簧一样，不仅如此，整个飞机还会发生剧烈的震动，严重时会导致飞机解体。这种阻碍飞机超音速飞行的现象被称为“音障”。

从空气动力学的角度来看，飞机在向前飞行时会对周围的空气产生扰动，就像快艇在水面上行驶时会扰动水面形成水波一样。你有没有注意过，快艇在水面上行驶的速度不同，它对周围的水的“挤压”程度就会不同，那么它四周形成的水波形态也就不同了。同样的道理，飞机以不同的速度飞行时，它四周的空气“波纹”也会不同。具体来说，当飞机的飞行速度为0时，它对空气的扰动会以声音的传播速度均匀地向四面八方传播；当飞行速度低于音速时（低音速飞行），扰动的传播会在前进方向上被稍稍压缩；当飞行速度达到音速后（跨音速飞行），恰好飞行速度与扰动传播速度一致，扰动在前进方向一侧被压缩在非常狭小的区域内；当飞行速度大于音速后（超音速飞行），这个压缩界面会被拖长为一个圆锥形。为了纪念奥地利科学家恩斯特·马赫对超音速问题的研究贡献，这个“圆锥”被命名为“马赫锥”。如果你见过水面上航行的快艇，那么请你回忆一下快艇行进时激起的水波，就可以更直观地理解“马赫锥”的含义了。

飞机在超音速飞行时造成的强扰动形成的边界波是一层致密的空气层，气流经过这个位置会被强烈地压缩，密度和温度也随之升高，这个超强的压缩边界波就被称为“激波”。由它引起的巨大阻力则称为激波阻力。

◎恩斯特·马赫

◎低音速飞行

◎跨音速飞行

◎超音速飞行

最容易误会的参数——马赫数

提到著名的科学家马赫，就不能不说一个以他的名字命名的概念——马赫数，可以写为Ma。它的含义是：马赫数等于几，速度就是当地音速的几倍。例如，Ma=1的含义就是速度为一倍音速，而Ma=2的含义就是速度为两倍音速。

如果你认为自己已经充分理解了这个概念，那么下面就来考考你。很多人都从书上得知，声音的传播速度是340米/秒，那么如果一个飞行器以Ma=2的速度飞行，它的飞行速度可以换算成每秒多少米呢？如果你的回答是680米的话，你就上当啦！因为马赫数指的是“当地”音速的倍数，而声音的传播速度取决于温度、压力等诸多因素。我们平时所看到的340米/秒这个数据指的其实是15℃时、标准大气压下的音速。一般来说，飞行高度越高，空气越稀薄，相应的音速也会随之降低，到达万米高空时，音速就已经降到300米/秒以下，不能直接用340米/秒这个数据计算实际飞行速度了。因此，网上很多数据“高估”了飞机的飞行速度，就是因为犯了这个错误。

飞机的飞行速度划分

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

低音速飞行

亚音速飞行

跨音速飞行

超音速飞行

高超音速飞行

音爆

我们已经了解，当物体运行速度接近音速时，会有一股强大的阻力，使物体产生强烈的震荡，以至速度衰减，这一现象被称为“音障”。而当飞机突破音障时，由于飞机本身对空气的压缩使空气无法迅速传播，逐渐在飞机的迎风面累积，最终形成激波面。在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到地面时，会形成雷鸣般的爆炸声。

音爆的能量巨大，一架在 16 000米高空以两倍音速飞行的协和客机产生的音爆对地面的压强高达100帕，相当于给一块一平米左右的玻璃窗施加约100牛顿的力。而音爆的强弱以及对地面影响的大小，与飞机飞行高度有着直接的关系。因为，激波和水波一样，距离越远，波的强度越弱。当飞机做低空超音速飞行时，不但地面上的人能听到震耳欲聋的巨响，影响人们的生活和工作，严重的还会震碎玻璃，甚至损坏一些建筑物。随着飞行高度的增加，这种影响会越来越弱，当超过一定的高度后，音爆对地面的影响就会消失。

突破音障的法宝

经过研究，科学家发现音障的存在主要是由于激波的产生，只要有足够的推力，飞机是完全可以突破音障的。但是凭借传统的活塞式发动机是很难突破音障的，一方面活塞式发动机的推力有限；另一方面螺旋桨尖端在飞机超音速前就已经局部达到音速，激波阻力会激增。如此看来，人们需要研制一种新型的航空发动机才能实现超音速飞行。在这种情况下，突破音障的法宝应运而生，它就是喷气发动机！

音爆云

在突破音障时伴随的另一个奇特现象是“音爆云”，这是由于在激波面后方由于气压增加而压缩周围的空气，使水汽凝结成微小的水珠，看上去就像云雾一般。而这种云雾俗称为“音爆云”，它的学名为普朗特-格劳厄脱凝结云。

◎完成人类第一次超音速飞行的X-1试验机

其实，早在20世纪30年代初，喷气发动机的设计理念就已经被提出来了。1939年，德国试飞了世界上第一架喷气式飞机He-178；1941年，英国紧随其后成功研制出装有喷气发动机的飞机E-28/29。此后，美国的F80和苏联的雅克-15、米格-9等喷气战斗机相继诞生。但是，由于没有掌握减少激波阻力的方法，喷气发动机最初并未与“超音速飞行”联系在一起。所以，人类首次突破音障的飞行试验是利用火箭发动机完成的。1947年10月14日，美国空军飞行员查尔斯·耶格驾驶X-1试验机首次进行了Ma=1.1015的跨音速飞行。实验的过程是：先用B-29轰炸机挂载X-1飞行，然后X-1上的火箭发动机在空中点火后帮助X-1脱离轰炸机加速飞行。

很快，美国和苏联的专家在第二次世界大战结束后从德国缴获的技术资料中，获得了后掠机翼设计的启发。这种设计能够有效减小激波阻力，再加上大推力喷气发动机的应用，20世纪50年代后，世界航空终于进入超音速时代。

发展迅猛的超音速战斗机

当飞行速度超过音速后，空气动力特性发生了很大变化，飞机设计理念也需要进行相应的调整。比如，从前适合低速飞行的平直机翼在超音速飞行时容易造成很大的激波阻力，后掠机翼便成为超音速飞机的首选。人们还发现，尖锐前缘外形可以更好地减小激波阻力。在超音速空气动力学和飞机设计理论的不断发展下，第一代超音速战斗机问世了。美国的F-100战斗机和苏联的米格- 19战斗机就是其中的典型代表。我国的歼-6战斗机就是在米格- 19的基础上仿制和发展而来的，这型战斗机在中国人民解放军空军服役半个多世纪，为保卫祖国领空立下了汗马功劳，直到2010年才完全退役。

在第一代超音速战斗机问世的几年后，可以达到两倍音速（Ma=2）的第二代超音速战斗机就出现了，例如美国的F-104战斗机和苏联的米格-21战斗机。我国的歼-7、歼-8战斗机也属于第二代超音速战斗机。随着飞行速度的进一步提高，飞机与空气摩擦产生的气动热明显增加，这对飞机结构的安全产生了威胁。当飞行速度达到三倍音速（Ma=3）时，机头温度将达到370℃左右，传统的铝合金材料很难承受这般高温，于是这种技术困难就被称为“热障”。到了20世纪60年代，由于材料技术的进步，热障已经被突破，很多飞机的飞行速度都可以超过三倍音速，如美国的SR-71侦察机、苏联的米格-25战斗机等。

20世纪70年代，各国不再追求增加战斗机的飞行高度和速度，而是更加注重低空机动性能。装备先进雷达和新一代导弹的第三代战斗机走上了历史舞台，其中，著名的战斗机有美国的F-15、F-16和F-18，苏联的米格- 29、苏- 27等。我国自主研发的歼-10战斗机由于在部分性能指标上高于第三代战斗机的标准，因此被很多人称为“三代半”战斗机。

目前，世界上已经服役的最先进战机是第四代超音速战斗机（俄罗斯称“第五代”，后来美国也改称“第五代”），包括美国的F-22、F-35，中国的歼-20以及俄罗斯的苏-57战斗机。2018年3月，苏-57在叙利亚完成了测试项目。新一代的战斗机具有优越的隐身性能、综合航电系统，更加适合现代战争的信息化作战环境。

暂时沉寂的超音速客机

◎协和号客机

当然，除了军事领域外，民用飞机中也不乏超音速飞机的身影。20世纪60年代，超音速战斗机的巨大发展给人们创造了很大的想象空间，人们开始梦想坐上更加快速的超音速民航客机。1969年，苏联图波列夫设计局设计的图-144客机和英国、法国联合研制的协和号客机先后进行了超音速飞行试验，并取得了成功。这两型飞机也是目前世界上正式投入运营的仅有的两型超音速客机。而这两型超音速客机的命运都十分坎坷，并且都已黯然退出了历史舞台。

我们先来说说图-144吧。早在1968年的12月31日，图-144就进行了首飞，但那一次并没有进行超音速飞行。1969年6月5日，图-144抢在协和号前面进行了超音速试飞。试飞后，设计人员对图-144进行了很多调整改进，甚至在机头后侧增加了一对小鸭翼。1973年，改进后的图-144参加了巴黎航展，但飞机在表演过程中发生事故，当着竞争对手协和号和30万观众的面，在空中突然解体，导致6名机组人员和8名地面人员丧生。这使得人们对超音速客机的安全性产生了质疑。1975年，图-144开始承担货运任务；1977年11月开始运营莫斯科至阿拉木图的客运航线。不过，据说图-144的噪声很大，以至于乘客无法听到彼此说话的声音，只能用写字的方式进行交流。1978年，图-144停止了客运飞行。1984年，图-144停止了所有正式的商业运营。在图-144停止正式的商业运营前，这型飞机一共生产了16架，其中包括其改进型图-144S和图-144D。

说完了命途多舛的图-144，下面我们再来说说它的“难兄难弟”协和号。1969年3月，协和号首飞，同年10月1日完成了首次超音速飞行，1976年初正式投入商业运营。但是和图-144一样，协和号也发生过非常严重的事故。2000年7月25日，法航的协和号客机从戴高乐机场起飞时，轮胎被金属片刺中导致爆胎，轮胎碎片又击中了油箱，最终导致飞机失事，造成109人遇难。这次事故对协和号来说是一次沉重的打击。由于高昂的运营成本、饱受质疑的安全性以及不尽如人意的舒适度等因素，协和号也没能逃脱停飞的命运。2003年11月26日，协和号执行了最后一次飞行任务后全部退役。从那时至今，在全世界范围内，超音速客机的运营陷入沉寂。

总之，安全性、经济性和舒适性都制约着超音速客机的发展。不过，超音速客机的前景依然广阔。就像超音速战斗机曾经走过的发展历程一样，相信随着技术的不断进步，在不久的将来，我们会看到更加舒适、安全的超音速客机重返云霄。