1 什么是超声速飞行
仅就飞机来说,飞机的飞行速度超过声速,即其飞行速度的马赫数M>1的飞行,称为超声速飞行。
声速就是音速,是声波在空气介质中传播的速度,
声速的基本公式为
V=20.1
式中；T为热力学温度,T=273+t,t为用摄氏温度表示的当地温度℃,它与当地的空气介质温度有关,声速的标志用马赫数M表示,M>1为超声速。
例如；在地面常温t=15℃时,音速V=341米/秒,相当于V=1228公里/小时。在10000米高空,当地温度约计-50℃,此时声速V=300米/秒左右,相当于V=1080公里/小时。
像波音767型飞机,在10000米上空飞行时,它的当地飞行速度一般在V=950-980公里/小时左右,相当于飞行马赫数M=0.9,还是亚声速飞行。
2 超声速飞行的实现
*超声速飞行
超声速飞行也是人类梦寐以求的愿望,人类经过大约半个世纪的奋斗,终于在1947年实现了。
那是在1947年10月14日,在美国加里福尼亚洲的爱德华空军基地上,美国空军驾驶员查尔多斯•耶格尔上尉乘坐一架B—29型飞机飞上蓝天,在飞机的腹部吊挂着一架X-1型火箭飞机,这个新型火箭飞机像一枚炮弹,见图2-1和图2-2。
图2-1 载有火箭飞机的B—29型飞机
图2-2 超音飞行的火箭飞机
当飞机升空到7600米高度时,耶格尔上尉由飞机的舱口的悬梯上爬到了下面的火箭飞机的座舱中,历史的时刻终于到来,放飞!火箭型飞机爬升到12800米时,以1080公里/小时的速度,即以超声速的速度划破长空,雄伟而矫健的飞翔着,耶格尔实现了人类历史上的第一次超声速的飞行。
超声速的飞行主要是要通过声障(音障),声障是飞机飞行到达声速时,出现的一种强大激波现象,激波像一堵墙挡住飞机向前飞行的速度,到达音速时机上的人和物体就像压上一个重物,不能动弹。飞机产生强烈的抖动,如不及时改出,会使整个机身解体,这是一个非常危险的现象。图2-3为一架战斗机在太平洋上空突破声速时,水蒸汽在机身中形成的屏障。
图2-3 突破声速时水蒸汽在机身中形成的屏障
突破声障是人们必须要解决的技术问题,这些问题在1947年都己经被征服和解决了。
*人类首次飞上蓝天
自古以来,人类向往着能够飞上蓝天,像鸟儿一样的自由飞翔,能够奔上月球去会见那美丽的嫦娥。这些美好的梦想,20世纪初和20世纪中期,都已以先后地实现了!
1903年12月17日,美国人威尔伯和奥维尔•莱特兄弟用自制的飞机飞上了天空,开创了人类史上第一次在蓝天上飞翔的新纪元。
莱特兄弟的飞机为双翼式飞机,装有两台推进式螺旋桨活塞式发动机,每台发动机约为12马力,在美国卡罗来纳州的基蒂霍克机场试飞。图2-4为莱特兄弟的飞机图。
图2-4 莱特兄弟的飞机图
莱特兄弟驾机共飞行了4次,弟弟奥维尔、莱特完成了首次行,哥哥威尔伯、莱特驾驶的第4次飞行中,创造飞行留空时间为59秒和飞行距离为260米的记录,创造了人类有史以来留空时间最长的记录。
用59秒飞行260米,其飞行速度每秒为4.4米,每小时15.8公里,他比百米运动员每秒跑10米的速度还要慢。相当于1886年世界第一次跑在伦敦大街上的四轮汽车每秒5.6米 (即20公里/小时) 的速度,相当于马拉松运动员平均每秒5米的速度,因此这个飞行速度并不算快,但是它寓意深远,是人类第一个借助于动力留空飞行的最长记录。
*亚声速到超声速
亚声速到超声速经历了半个世纪计44年,其飞行速度提高了近70倍,这是经过几代人的努力才得以实现的。
20世界第二次世界大战后,50-60年代期间,当时的军用飞超声速飞机,其飞行马赫约在M=2.1,如美国的F104,F4型飞机；原苏联的米格21型飞机等。
20世界末第三代军用战斗机,其飞行马赫数没有多大变化,也多在M=2.2左右。如美国的F15(1974年),F16(1978年)型飞机；俄罗斯的米格29型和苏27型飞机,我国的歼八型飞机等。
当然人们也曾在研制三高型军机,即飞行高度为3万公尺,飞行马赫数M=3的飞机
以下将以民用超声速飞机的飞行为主,介绍一些飞行史话。
3 民用超声速飞机的历史风采与回顾
*协和式超声速飞机
20世纪60年代末期,协和号超声速飞机投入航线使用,开创了现代航空史上民用超声速飞机飞行的新纪元。
由英法联合制造的协和号超声速飞机,1968年12月首飞后,1969年2月投入航线。主要是飞越大西洋航线,英国伦敦到纽约,法国巴黎到纽约,连结法、英和美三国的飞行。从使用已有30余年的飞行史了,它一直是一枝独秀独占蓝天。
协和号飞机全长62.1米,翼展25.6米,呈三角形后掠式机翼,飞机载客量为128人,最大飞行高度为18300米(接近真空),最大航程8800公里。最大飞行速度为马赫数M=2.2。舱内为单通道每排4座位,比较拥挤,起飞、降落时噪声特别大。图3-1为协和式飞机图
图3-1为协和式飞机图
从法国巴黎起,飞越大西洋到美国东海岸纽约,只需要3时45分钟,巴黎到纽约的时差为6小时,所以乘客到纽约后,还要将手表反调回6小时,很受经商者的欢迎。如果从上海飞到美国洛杉矶也仅需6个多小时。缩短了有效的工作时间,等于缩小了地球,延长了人的生命。
超2.2倍的声速又是什么概念,它的飞行速度比地球自转的速度还要快。当飞机升空在16000米时,它的超声速将达到V=2340 公里/小时,地球自转的切线速度大约为1700公里/小时,比地球自转速度还要快近1.38倍。
乘超声速飞机有三个景观是亚声速飞机所见不到的,即；
(1) 追着太阳走,如果从东向西飞,可以看到永不落的太阳。从伦敦傍晚起飞,到纽约天色还不会黑。
(2) 看地球是个弧形表面,因为协和号飞机的飞行高度在1万6千米左右,从飞机上俯视地面,就可以看到地球表面是个弧线状。
(3) 超声后带来的意外静音,超声速飞机飞行时比普通飞机的噪声要大很多,这是发动机具有较大功率造成的,当飞机高亚声速和接近声速飞行的瞬时,飞机抖动和噪音都显着增大,震耳欲聋,心烦意乱。但是当飞机一旦超过声速,飞行瞬间好像换了个世界,机舱内噪音又恢复原样,比较平静,人们可以低声耳语。这就是超声速的特性,超声速飞行后强大的噪声都被抛在飞机尾部“超声波锥”的后面,被称为“聋子”现象。但是,此时强烈的噪声对地面和外物的环境影响,丝毫没有减轻。
协和式飞机起飞和降落,都构成一个独特景观,许多来巴黎旅游的客人,都要到机场等候观赏这一奇景。图3-2为起飞时图
图3-2为起飞时图
但是由于协和号飞机,噪音特别大,耗油量大,票价特别昂贵,从巴黎到纽约票价为1万美金,是富豪和政客的天下。所以限制了在民用运输方面的使用与发展,许多机场均因噪声太大而不允许着陆。城市比较密集的大陆,也不允许它掠空而过。因此只有在巴黎-纽约、伦敦-纽约两条航线上飞行。(待续)
