主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫

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老大河待整

【原创】比声音还快（一）（完）

自从莱特兄弟为人类插上翅膀以来，人们一直梦想着飞得更高更快。英国人Frank Whittle于1930年申请了第一个喷气式发动机的专利，德国人Hans Von Ohain在不知情的情况下，于1936年也独立申请了自己的专利。两者的基本原理相近，但具体细节不同。Whittle的发动机到1941年才在Gloster Pioneer上试飞，而Ohain的发动机在39年就首先在Henkel 178轰炸机上试飞了。在第二次世界大战还在如火如荼的1942年，英国的迈尔斯飞机公司（Miles Aircraft Co）就受命开始秘密设计M52超音速飞机，但由于战事紧张和国力衰竭，英国政府下令迈尔斯将所有设计数据移交给美国，贝尔飞机公司接手之后，于1948年成功地将X-1实验型飞机飞上天，在著名的试飞员Chuck Yeager的操控下，于1947 年10月14日首次在平飞中突破音速。在1948年10月的试验中，M52的30%比例模型也达到M1.5，证明英国人原来的计算和设计是正确的。

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Miles M52超音速研究机，后来首先突破音障的贝尔X-1用的是火箭发动机，M52用的可是货真价实的涡喷发动机

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贝尔X-1火箭飞机，历史上首次在平飞中突破音障的有人驾驶飞机

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为了最大限度地节约燃料，X-1是用B-29带到空中投放后再点火飞行的，据说X-1的火箭发动机点火成功率不怎么样，万一点火失败，飞行员只有很短的时间决定跳伞，滑翔是不可能的

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美国历史上最著名的试飞员Chuck Yeager，早年曾参加二战的欧洲空战，在法国上空被击落后，借道西班牙逃回英国。当时条令规定，逃回的飞行员不再到占领区上空作战，大概是担心飞行员有心理障碍，但Yeager直接向艾森豪威尔请求重返欧陆上空，获得特许，以后曾在一天内连续击落5架敌机，战争结束时总战绩11.5架，包括一架Me262。在75年从空军退役时，官拜准将，30年后，获国会特别推荐，于2005年晋升少将

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Chuck Yeager和他的X-1。按二战时就开始的老规矩，命名为Glamorous Glennis，Glennis那时还是女朋友，后来成为妻子。Glennis死后13年，Yeager和小他36岁的Victoria D’Angelo结婚，子女把后妈告上法庭，说她纯粹是为了名利，Yeager一世英雄，到老了反而摊上这么一摊烂事

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除了从事研究性试飞外，Yeager也是美国空军作战飞机试飞和评估的主力，在1947-54年期间，平均每月要飞100小时以上，有一个月竟然飞了27种不同型号的飞机

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Chuck Yeager后来离开试飞员的行当，担任一线战斗机部队的中队长、联队长，在67年北朝鲜扣押美国情报船“普韦布洛”号事件中，负责空中行动。在62-64年担任试飞员学校校长期间，训练了第一批宇航员，小说和电影The Right Stuff就是讲的这一段。Yeager的最后职务是驻德国拉姆斯坦茵的第17航空队副司令

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老家伙现在还不闲着，时不时上天遛一圈。左面的Bob Hoover，二战中在欧洲被击落被俘，逃出集中营，偷了一架FW190战斗机自己飞回来了。右面的是Frank Borman，双子星7号飞船的指令长，首次实现太空对接，后任阿波罗8号指令长，首次飞出地球轨道，绕月飞行。

人们很早就知道，推力只是实现超音速飞行的一部分。物体以接近音速飞行时，空气的性质变了。飞机飞行时，对前方空气产生压缩，形成的压力波以音速传播。在0.8倍音速以下的亚音速飞行时，压力波跑在飞机前面，在一定程度上起到把前方空气推开的作用。但以音速飞行时，前方的压力波“躲闪不及”，叠在一起，阻力急剧增加，阻力比亚音速时增加3倍，飞机就像一头撞到一堵墙上一样，这就是“音障”（sound barrier）之说的来源。然而，速度继续增加至1.2倍音速以上时，飞机跑到压力波前面去了，飞机的机头形成锥形激波，空气压力沿激波前锋急剧升高。激波前锋之后的压力急剧下降，到机尾压力达到负压，在机尾后压力急剧恢复到常压，整个压力分布呈骤升-缓降-骤升的N形，所以常被称为N形波。由于N形波前锋的拖带和后缘的推动，超音速飞行的飞机所在的N形波中间部分的气流反而是亚音速的。激波在正好音速的时候，几乎是垂直于飞机前进方向的平面；随速度增加，激波呈越来越尖锐的锥形，速度增加，锥形的“后掠角”也增加，所以超音速飞行的阻力增加的速率随速度的增加反而下降，超音速后，速度增加一倍，阻力只增加30-50%。这个性质只和音速或马赫数有关，不管在什么高度，飞机以相同的马赫数飞行，其经受的气动条件是等同的，而和以公里/小时计算的实际速度和高度的关系不大，所以高速飞机常用音速而不是实际速度来描述。音速或马赫数随空气条件而改变，但不是单调地改变，也就是说，并不是一路上升或一路下降，而是有升有降。在海平面时，音速为1225.1公里/小时。到10000米高空，音速降为1078.3公里/小时。但超过20000米高度后，音速又随高度增高，比如，30000米时，音速为1086.2公里/小时。但是48000米以上时，音速又开始下降。

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音速以马赫数度量，马赫数当然就是以奥地利物理学家Ernst Mach命名的。说他是奥地利物理学家，捷克人可能要不满意，因为马赫出生于捷克的Brno，后来也回到布拉格的Charles大学做教授，但他的学业和主要研究是在奥地利完成的。捷克是当时奥匈帝国的一部分。这是马赫同学的尊容

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随着飞机速度的增加，飞机对前方空气压缩形成的压力波不断被压紧，在音速的时候被压到一起，阻力急剧增加。超过音速后，飞机把压力波甩到身后，阻力反而减小

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波导阻力在音速达到最高

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超音速飞行时，激波后的空气压力和温度急剧下降，导致水汽冷凝，形成雾化现象

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风洞里F-14的激波图像

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NASA的T-38在空气中飞行时形成激波的照片

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音速是随高度变化的，更具体地说，是随空气温度而变化

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音速和高度的关系显然不是一路上升或一路下降，而是有升有降，也有不升不降的时候

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超音速飞行会引起强烈的涡流

音速显然是一道坎，跨过去了，超音速阻力反而下降。为了减小跨音速激波的影响，NASA物理学家Richard Whitcombe于55年提出跨音速面积率，也就是飞行器在跨音速飞行时，前缘和后缘的激波不可避免，但如果飞行器沿前进轴线上的截面积急剧改变，将产生额外的激波，增加阻力。为了避免这额外的阻力，飞行器沿前进轴线的截面积应该均匀改变（或者说截面积沿前进轴线的二阶导数或曲率应该恒定），而截面的形状倒是无关紧要，这就是著名的跨音速面积率，也是超音速飞机“蜂腰”的来源。

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