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聊聊超声速
更新日期:2016-06-23  | 访问量:

来源:航空知识 2016年4期   来稿者:邢强

  1971年3月,尽管时任美国总统尼克松表现出了极力支持发展超声速客机的意愿,但是参议院还是否决了追加投资的提案。无数航空爱好者的呼吁以及已经凑出的高达100万美元的捐款也没能挽救美国的超声速客机项目。
  人类对速度的追求似乎是与生俱来且永无止境的。从蹒跚学步时无惧摔倒的奔跑,到仰望天空时,那股想要像鸟儿一样飞翔的渴望,再到在那星空之下,遨游太虚的种种幻想,都在诠释速度本身的浪漫和冒险的属性。
  自从人类能够借助飞行器上天以来,对速度的渴求更是表现得淋漓尽致。1947年10月14日,美国空军刚刚成立一个多月。耶格尔上校就驾驶着以他的妻子命名的“迷人的葛兰妮”号贝尔X-1试验机实现了超声速飞行。这架以火箭为动力的试验机从一架改装之后的B-29轰炸机的机腹下挣脱出来,达到了1.06马赫的速度。随之而来的,是人们对空气和声音的重新认识。超声速产生了诸多平时难以见到的物理现象,比如空气密度的变化、升力阻力特性的突变等。通常来说,声音在空气中的速度为343.2米/秒(1 236千米/小时),也有人用更为简化的340米/秒。但实际上,声速是随着环境的不同而变化的。比如,在0℃的海平面上,声速约为331.5米/秒,到了标准大气的一万米高空,声速会变为295米/秒。总体来说,空气的温度每升高1℃,声速就会增加0.607米/秒。当飞行器的速度超过声速时,前面的空气来不及躲开,会被逐渐压缩形成叫做“激波”的薄层。在薄层两侧,空气的物理性质会发生急剧的变化。
  后来,设计师掌握了超声速飞行器的设计方法来应付激波来带的阻力,一系列超声速战斗机相继问世。再后来,超声速技术便开始惠及民众了。1976年,协和客机投入运营,主要用于执行从伦敦希思罗机场和巴黎戴高乐机场往返于纽约肯尼迪机场的跨大西洋定期航线。她能够在15 000米的高空以2.02倍声速巡航,从巴黎飞到纽约只需约3小时20分钟,比普通民航客机节省超过一半时间。1996年2月7日,协和飞机从伦敦飞抵纽约仅耗时2小时52分钟59秒,创下了航班飞行的最快纪录。但是,经济性和噪声问题始终困扰着优雅的协和客机。2003年11月26日,协和执飞了最后一次飞行后,至今世界上仍没有后续的超声速客机能够载客飞行。
  人类何时能够重返超声速民航时代?或许只有在认真解决了音爆问题之后才行。在水面上,快艇的速度比其产生的水波的速度要快,因此会形成一个以快艇为尖端的三角形波纹。在空中,当飞行器的速度超过声音速度的时候,则会形成锥状的激波。从波纹传播的原理上,造成音爆的锥状激波和拍击岸边的水波有些许相似。但是,水波是可见的,而激波往往难以被肉眼直接观察到。早些年,人们在超声速风洞中布置的烟雾发生器、干涉仪、高速摄像机、强光源等设备记录了工程技术人员让激波变得可见的种种尝试。如今,NASA掌握了新的技术手段,让激波能够展示在“光天化日之下”。他们借助了一个强大的光源——太阳。在测试过程中,一架T-38C教练机在莫哈维沙漠上空进行超声速飞行。高速摄影设备捕捉到了飞机在掠过太阳时以太阳为背景的原始画面。在经过最新的图像处理算法的加工后,一副可由肉眼直接判读的激波纹影结构的图像便呈现了出来。这样的画面宣告了人类对超声速激波的观测脱离了风洞的束缚。而这些画面会被提供给研究音爆的科学家,以便帮助他们提出减少音爆的设计建议。
  遥想当年夸父逐日的壮举,人类如今重返超声速民航时代的努力,居然也是从凝视太阳开始的呢。