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主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫
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。
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
波导阻力在音速达到最高
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
风洞里F-14的激波图像
NASA的T-38在空气中飞行时形成激波的照片
音速是随高度变化的，更具体地说，是随空气温度而变化
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
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。
Whitcomb在NASA（当时还叫NACA）的8英尺告诉风洞检查用面积律设计的一个飞机模型
Whitcomb在上课，讲解面积律
左为不用面积律设计的气动外形，右为利用面积律设计的气动外形，注意其特征性的“蜂腰”
YF-102战斗机在用面积律修行之前（左）和之后（右）
具有明显“蜂腰”的幻影III战斗机
具有明显“蜂腰”的歼-8II战斗机
高亚音速客机的速度虽然没有超过音速，但已经进入了跨音速区的下端。波音747机头的“驼背”增加了前机身的截面积，也起到了面积律的作用，是波音747可以比一般高亚音速客机飞的更快的一个原因
A380和其他现代高压音速客机的中机身和机翼连接处明显的鼓包也是面积律的结果
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介绍面积率一定要提强5啊，那才是中国面积率设计的第一笔。
另外虽说耶格尔是成功者很值得大家认识认识，不过有点太熟了，我到想认识认识失败的小哈维兰
光想着歼8了，把强5给忘了。小哈维兰是谁？不是英国的飞机公司吧？
说起来这个D.H.108才是第一架突破音障的喷气机，虽然是在俯冲的时候。
是这位仁兄吧：
Pilot Officer GY Manderson DFC (185016)
DFC指Distinguished Flying Cross杰出飞行十字勋章。
这是DH108
[imga]Pilot Officer GY Manderson DFC (185016)[/imga]
在俯冲中先于Chuck Yeager达到超音速的不少，美国的George Welsh在47年10月1日就在XP-86（就是F-86的原型）上在浅俯冲中达到超音速，后来在Yeager突破音障前30分钟再玩此技。和De Haviland DH108不同的是，George Welsh没有为此送命，而是lived to tell the tale。在次之前，德国的Hans Guido Mutke也声称在45年4月9日就用Me262在浅俯冲中达到过超音速，不过很多人对这个纪录保持怀疑。
DC-8和波音747在试飞中都曾短暂地在浅俯冲中超过音速。
还是要用花砸你
英国的皇家飞机研究中心（Royal Aircraft Establishment）从54年就开始研究超音速客机的问题，以当时流行的细长机身、短薄的平直翼为基础，以重要的英美之间的北大西洋航线为背景，进行了一些概念设计。但是概念设计的结果很不妙：136吨的起飞重量已经和波音707相当了，但是载客量只有区区15人，这显然毫无经济性可言。在此期间，英国的德哈维兰“彗星”客机在解决疲劳问题后重返天空时，发现高亚音速喷气客机的桥头堡已经被波音和道格拉斯占去了，为了重建英国民航客机的竞争力，RAE出面于56年设立了超音速运输机研究委员会（Supersonic Transport Aircraft Commission，STAC），开始研究超音速客机的可行性，研究集中在超音速客机的技术问题和经济性问题。
速度超过M1.5后阻力随速度上升的速率下降，这是一个有利条件。如果速度增加一倍，阻力只增加50%，那相当于在同样载客量的条件下，M1.6的超音速客机可以用M0.8的亚音速客机跑三个航次的燃油，来跑四个航次。但是天下没有这样的好事，机翼的升力系数在超音速的时候下降很厉害，M2.0的时候大概只有M1.0的一半。这样一来，得失大抵相抵。超音速客机在经济性上的好处主要还是从节约时间上来的，如果燃油消耗相当，在同等载客量的条件下，一架M2.0的超音速客机的实际运能相当于2.5架M0.8的亚音速客机，在采购和维修成本上有利。实际情况当然没有那么简单，维修、机场周转都需要时间，超音速客机的起飞、降落也需要时间，但以时间换效益大体就是研制超音速客机的经济动力。STAC的结论是，超音速客机只有在相当的载客量在远程航线上运营才比较经济，航程以欧洲西海岸到美国东海岸为基准航线时，速度以2.2倍音速为宜。速度更低将难以保证在伦敦和纽约之间当天来回，大大减低超音速旅行的吸引力。速度更高将超过铝合金的耐热能力，需要采用不锈钢或钛，在技术上未知数太多。在超音速战斗机10年后才勉强达到6000-8000小时使用寿命的情况下，60年代初超音速客机的使用寿命已经要求超过30000小时，技术上的未知数越少越好。英国动起来了，美苏当然也不闲着。为了在新一轮民航客机的“世界大战”中抢到先机，欧洲和美苏都展开了超音速客机的研制，“为国争光”当然也是各国倾力研制超音速客机的重要因素。
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在走向协和式之前，英国专门设计和试飞了很多研究机，研究超音速飞行的各方面问题。英国的Fairey Delta是第一个采用无尾三角翼布局的喷气式研究机，这是Fairey Delta FD2。按英国人的说法，法国的幻影战斗机也是“偷”Fairey Delta的
英国Hendley Page的P115研究机，着重研究无尾三角翼的低速横滚操控性能
英国布里斯托尔188研究机，全机用不锈钢制造，着重研究高速飞行时的气动加热问题
英国BAC221研究机，着重研究S形前缘无尾三角翼的气动特性
英国“火神”轰炸机，用来试验协和式的“奥林普斯”发动机
协和式机体表面的温度分布，热胀冷缩对材料和结构是很大的挑战
STAC同时对超音速客机的气动布局进行了概念性的研究，建议采用细长机身和无尾大后掠三角翼，以最大限度地提高超音速升阻比。大后掠角可以延迟激波的产生，三角翼有利于实现跨音速面积率，细长机身减小迎风阻力。与此同时，美国的NACA、法国的ONERA、苏联的TsAGI也在全力研究超音速客机的问题，各国得出和STAC大体相同的结论。
美国康维尔曾提议用B-58轰炸机改装超音速客机，但B-58的机身太窄，单走廊横列双座塞沙丁鱼一样也只能装载58名乘客，最后不了了之。但是B-58的跨大西洋超音速飞行的经验对超音速客机的研制有很大的作用
美国曾用F-102作过超音速客机的研究
法国的Nord Griffon也曾用于超音速客机的研究
60年代初，英国布里斯托尔飞机公司（Bristol Aeroplane）和法国南方飞机公司（Sud Aviation）分别提出超音速客机的方案，前者为布里斯托尔198方案，后者为“超快帆”。布里斯托尔198采用大后掠无尾三角翼，翼下6台罗尔斯·罗伊斯“奥林普斯”涡喷发动机，载客130人，速度M2.2。后来因为过于野心勃勃，被英国飞机公司（British Aircraft，由众多中小飞机公司合组而成，布里斯托尔是其中的一个）的223方案代替，气动外形基本不变，尺寸缩小，采用翼下4台“奥林普斯”发动机。法国南方的“超快帆”可以算作亚音速“快帆”SE-210的超音速版，气动外形和BAC223十分相似，但是要小一号，只能载客70人，航程3200公里。在欧洲合作的大潮之下，BAC223和“超快帆”合并为“协和”式计划，以后的过程在《一个传奇的诞生》中多有叙述，这里不再重复。
BAC 223方案，已经有很明显的协和式的影子了
法国南方的“超快帆”方案
62年巴黎航展上的“超快帆”模型
协和式的载客量100人，速度M2.02，航程6500公里，于76年投入航班服务，2003年退役
优美的协和式，蓝天上永远的白天鹅
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在贴英国的这些研究机的时候，心里就在想：中国造运10的时候，飞过多少研究机呢？这和运10后来的命运有关系吗？
不过A380可不好看，腰里那一圈好像揣了俩钱包似的。
前面照得协和一般都不像天鹅，倒是也不像企鹅