生涯青山--Aming's Blog: 突破音障-Sound Barrier

美丽的音障

音障是一种物理现象，当物体（通常是航空器）的速度接近音速时，将会逐渐追上自己发出的声波。声波叠合累积的结果，会造成震波（Shock Wave）的产生，进而对飞行器的加速产生障碍，而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障。

突破音障进入超音速后，从航空器最前端起会产生一股圆锥形的音锥，在旁观者听来这股震波有如爆炸一般，故称为音爆或声爆（Sonic Boom）。强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害，对于飞行器本身伸出冲击面之外部分也会产生破坏。

美丽的音障

除此之外，由于在物体的速度快要接近音速时，周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态，因此一旦物体穿越音障后，周围压力将会陡降。在比较潮湿的天气，有时陡降的压力所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的露点（Dew Point）温度，使得水汽凝结变成微小的水珠，肉眼看来就像是云雾般的状态。但由于这个低压带会随著空气离机身的距离增加而恢复到常压，因此整体看来形状像是一个以物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团。

人类第一次突破音障

完成人类航空史上这项创举的，是美国空军的试飞员查尔斯.耶格尔上尉。他是在1947年10月14日完成的。24岁的查尔斯-耶格尔从此成为世界上第一个飞得比声音更快的人，使他的名字载入航空史册。那是一次很艰难的飞行。耶格尔驾驶X-l在12800米的高空，使飞行速度达到1078公里/小时，相当于M1.015。

图1

　　人类在探索飞行器的过程中，曾遇上三个拦路虎，就是人们常说的“三障”，即“音障”、“热障”和“黑障”。所谓“障”就是在技术上遇到的障碍。

　　自美国人莱特兄弟1903年发明飞机以后，人们逐渐认识到航空技术将对人类的未来产生巨大影响。因此，一些国家不惜投入大量人力物力，对航空技术进行探索和开发。这期间有无数航空先驱者不惜牺牲自己的生命换来了一个又一个技术进步，使航空技术纪录一再打破，才形成了今天的航空技术水平。在整个航空技术发展中，突破“音障”是一项重大的技术进步。

　　第二次世界大战期间，活塞式发动机、螺旋桨飞机的速度已经发展到顶峰。但由于技术上的需要，还要把速度再提高，因为当时的空战主要是以机炮和机枪作为空战武器，谁的速度快，谁就能抢到有利空域赢得胜利。所以当时的飞机设计师和飞行员一再努力追求飞行速度。美国飞行员耶格尔驾驶时速700多千米的“野马”式战斗机与德国飞机作战时，还感到速度低，所以他经常采用先把战机拉高，然后俯冲，借助重力加速度提高飞机速度的战术与敌机作战。可是当飞机出现800千米/时的速度时，飞机便产生了失控的感觉。飞机震动得特别厉害，难以驾驭。后来人们认识到，当飞机速度超过800 千米/时，空气会产生一种“压缩效应”。这种效应会使机头前部的空气被压缩成密度很高的“空气墙”，使飞机难以逾越。产生这种现象时，飞机刚好接近于音速，后来人们管这种现象叫“音障”。

　　很多人试图突破“音障”，但当时受技术条件限制，都没能成功。著名的英国飞行员德哈维兰在1946年9月27日驾驶D·11·108试验飞机作飞行试验。当飞行速度达到0.815马赫时，由于飞机产生强烈震颤造成空中解体，付出了机毁人亡的代价。虽然经过多次试图突破“音障”都没有成功，但通过实践人们认识到“音障”形成的原因，也初步设想出突破“音障”的方法。直到1947年美国做了一架向“音障”冲刺的试验飞机—X-1飞机。这是一架以火箭发动机作动力的试验机，这架飞机生来就是为了挑战“音障”的。机身外形像一颗机枪子弹的弹头。机头尖尖的，薄形机翼，尽量做到减小飞机的迎流面积，以减小飞机的阻力。采用酒精和液氧的火箭发动机，用B－29轰炸机作母机将其带到6400米高空投放，由查尔斯·耶格尔驾驶，经过多次试验，终于在1947年10月14日的第九次试验中突破了“音障”，飞行速度达到1.015马赫。查尔斯·耶格尔成为世界上超音速飞行的第一人。

图2

　　查尔斯·耶格尔驾驶X－1试验机突破“音障”的壮举，意义非常重大，它为现代军事航空和航天技术的开发铺平了道路。

　　什么是马赫数？

　　飞行器的飞行速度常用马赫数表示，马赫其人是奥地利的物理学家，为了纪念他在超音速弹丸研究作出的贡献，把飞行器的飞行速度v与当地音速a之比值称为马赫数，即马赫＝v/a（马赫也可写成Mａ或M）。公式中当地音速a是个变量，它随大气高度的变化（空气密度变化）而变化，比如在15ºC的海平面a为341米／秒。在50ºC的1万米高空a为300米/秒。

　　飞行器的飞行速度与马赫数的关系：

　　在人们考量飞行器的速度时，常说某飞行器是亚音速飞行或超音速飞行。究竟亚音速或超音速的马赫数是多少？国际上还没有统一标准，但一般认为：

　　低速飞行区　　　马赫数为0.4
　　亚音速飞行区　　马赫数为　0.4－0.75
　　跨音速飞行区　　马赫数为　0.75－1.2
　　超音速飞行区　　马赫数为　1.20－5.0
　　高超音速飞行区　马赫数为　5.0以上。

　　什么是“音障”？怎样突破“音障”？

图3

图4

图5

　　如图3所示，当飞机用亚音速（M＜0.75）以下的速度飞行时，在机头前方的空气受到的冲击压力不大，空气微团可避让飞行。音波也能向机头前方传播，飞机能顺利飞行。若把飞机速度提高到接近音速（M≥0.8）时，机头前部（包括机翼前缘）的空气来不及避让飞机，如图4所示，此时飞机的迎流面对空气的压力加大，空气密度即随之增大，飞机要消耗更多的能量推开机头前方的高压空气，待飞机的速度达到音速时，音波就不能向前传播，产生很大的激波阻力。这些现象出现后，使机头前部的空气温度升高，能量迭聚，形成一堵高温高压的空气墙，使飞机难以逾越，这种现象就叫作“音障”。一旦加大飞机的动力，改进飞机的结构外形就可以突破“音障”。如图5所示，出现物极必反的形势，飞机可轻易地飞行在音波的前方。

　　突破“音障”对飞机结构有什么要求？

　　“音障”是飞机的飞行速度与音速相近时，产生阻碍飞机飞行速度的能量“墙”，由高温、高压及高密度的空气和声波的能量迭聚而成。人们认识到“音障”形成的原由，也就不难突破了。

　　早于飞机发明以前就有人对音障问题进行研究了。大家都知道最早的炮弹都是圆球形的。球形的物体飞行阻力大，射程远不了。经过研究把炮弹做成尖锥的流线体。这样的弹头射出炮口就能在几倍音速下飞行。若把飞机也做成像炮弹一样的尖锥形，不是就容易突破“音障”了吗？于是人们就根据这一想法先做了X－1的试验机，果然成功地突破了音障。后来就把所有的超音速飞机都做成尖锥形的流线体机身和薄形机翼，最典型的高速飞机要数 SR－71高空高速侦察机了，如图6，它能在24000米的高空飞到马赫数3.2的速度。

图6

　　另外，“音障”既然是一堵“墙”，若突破它，除把飞机做成流线体之外，还要加大发动机的动力，活塞发动机／螺旋桨时代的飞机绝没有能力突破“音障”。当航空技术进入喷气式发动机时代，有了喷气式发动机强大的动力，突破“音障”也就轻而易举了。

　　再有一种有利于飞机突破“音障”的方法，是把机翼做成像燕子翅膀一样的后掠翼形，如图7所示的几种翼形：

图7

　　这样翼形的飞机如同箭头一般，以锐角冲向“音障”形成的阻力“墙”，能大大减低阻力，便于飞机突破“音障”高速飞行。

　　音爆是怎么回事？

　　飞机突破“音障”时所产生的爆炸声称谓“音爆”。在飞机的飞行速度达到音速时，受到“音障”的阻碍，这个阻碍实际上是飞机头部的压缩空气幕给飞机一个反作用力，若此时飞机加大油门提高动力，嘭的一声就穿过了这层阻力层，实际上是飞机冲刺“音障”时的动能和受到飞机对压缩空气势能在突破“音障”的一瞬间变成声能释放出的声响。但这个能量很大，若飞机在城市上空做突破“音障”飞行，“音爆”的冲击波可能造成对建筑物的破坏。图8是飞机在突破“音障”瞬间的照片，从图片中可以看出飞机在突破“音障”时，是有声有色的。