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话说声障

2021-04-12 12:00 来源:《大飞机》杂志

  

 

  在基础物理学中,科学家们很早就测得了声音在空气中的传播速度:在一个标准大气压和15℃的条件下声速为340/秒,大约是1224公里/小时(约760英里/小时)。大于这个速度就被称为超声速。 

  1740年,欧洲人罗宾斯在进行炮弹实验时,发现当炮弹时速超过820英里,即大于声波在空气中的传播速度时,炮弹受到的阻力会突然增加,远远偏离牛顿的平方阻力公式。但是,超过声速以后,阻力又开始下降,逐渐趋向正常。这种阻力在声速附近突然上升的现象,就称为“声障”。 

  二战后期,战斗机的最大速度已超过每小时700公里,声障问题再次进入人类的视野中,这种情况曾使高速战斗机飞行员们深感迷惑。因为每次当他们的飞机飞行速度接近声速时,飞机操纵都会产生奇特的反应,比如:会突然失去速度和升力,发生颤振和抖动。如果处置不当,飞机会散架,机毁人亡,且事故发生率很高。 

  后来,科学家们发现了其中的原因,当飞机的飞行速度比声速低时,同飞机接触的空气好像“通信员”一样,它们会向前“通知”前面即将遭遇飞机的空气,使它们主动“让路”。但当飞机的速度超过声速时,飞机前面的空气因来不及躲避而被紧密地压缩在一起,堆聚成一层薄薄的波面,这种波面的学术名词叫“激波”。在激波后面,空气因被压缩,压强会突然升高,这阻止了飞机的进一步加速,也可能使机翼和尾翼剧烈振颤而发生爆炸。 

  20世纪2030年代,科学界持续进行着有关于跨声速流动的理论研究,但是没有产生重大突破,声障难题阻碍着当时世界航空工业的发展,即便是世界顶尖物理学家,也很少有人敢挑战声障。 

  转机出现在20世纪40年代,当时在航天工程学家冯·卡门的领导下,有一批科学家聚集在美国加州理工学院的古根海姆航空实验室,为攻克这个堡垒进行了大量艰苦的研究工作。最后突破理论难题的是来自中国的科学家郭永怀,当时他废寝忘食地花了4年时间,用最基础的计算器解决了这个难题。郭永怀发现了跨越声速的一些现象,提出了“上临界马赫数”概念并得到了实验证实,这个概念的提出为解决跨声速飞行问题奠定了坚实的理论基础。 

  郭永怀还进一步用稳定性理论解释了实际临界马赫数会介于上下临界马赫数之间的原因,这也是对高性能气动外型设计的先驱性工作。他还对激波和边界层进行了深入研究。边界层是飞机飞行的时候表面上很薄的一层,在几十米长的机翼上,边界层厚度大概只有10厘米。在研究边界层的过程中,郭永怀运用了一个特别棒的数学方法,这个方法后来被称为“庞加莱—莱特希尔—郭永怀”方法,简称PLK方法,用处非常广,解决的都是各种实际问题。 

  

 

   

  今天,郭永怀的长达100页的博士论文还留在美国NASA,其中的研究成果依然在指导着美国的飞机制造。突破声障的技术难题,使飞行器尤其是战斗机进行超声速飞行甚至巡航成为了可能。 

  声障难题在实践中的最终破解是在科学家、工程师、设计师携手努力下完成的。在实际操作中,科学家们发现飞机要突破声障需要在其外形设计方面下功夫,将机翼设计得更薄,部分主制造商还将机翼做成了三角形等特殊形状。 

  19471014日,美国试飞员查尔斯·耶格尔驾驶X-1验证机在12800米的高空飞行速度达到1278公里/小时,这是人类首次突破声障。之后可以超过声速的飞机也被称为超声速飞机。 

  超声速客机出现在20世纪60年代末。196965日,前苏联研制的图-144首次实现超声速飞行。197363日英法联合研制的“协和”号和前苏联研制的图-144在巴黎航展上亮相,都进行了精彩表演,最终“协和”号安全着陆,但图-144在空中解体,坠落在距离机场5公里外的古桑维尔村,飞机上6名机组人员和地面8人不幸罹难。 

  1976年,“协和”号实现了商业客运飞行。197711月,图-144也迎来了史上第一次载客飞行,这架航班号为SU499的班机,执飞了从莫斯科到阿拉木图(当时的哈萨克斯坦首都)的航线,3000多公里的航程在两个小时内完成。 

  因为安全性问题,198371日,苏联政府下达了461-169号令,图-144从此停产停运。20031024日,“协和”号也步了图-144的后尘,英国航空公司的一架“协和”号客机完成了人类历史上最后一次超声速客机载客飞行。 

  至此,人类历史上第一个超声速客机时代正式结束。下一个,目前尚未开启。可以肯定的是,人类的探索不会就此停步。 

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