超音速技术：战斗机突破音障
1947年，美国空军试飞员查尔斯·爱尔伍德·耶格尔驾驶一架美国贝尔XS-1型火箭发动机飞机，进行了第一次超音速飞行，飞行速度达到1078.23千米/小时。美国目前第五代战机F/A-22巡航速度达到了1.78马赫，最大飞行速度更是达到了2.1马赫。飞机为什么会飞得这么快呢？其背后的支撑实际上是飞机推进技术和气动力布局技术。
传统的战斗机，也就是以活塞式发动机为动力的战斗机，通过螺旋桨产生推力的飞机，当速度达到750公里/小时后，要想进一步提高速度是不可能的，难题就是遇到了音障。音障就是物体运动达到音速时，会在运动方向上产生激波，激波会使飞行物体的气动力特性发生变化，成为飞行的新的阻力。要想使飞机的飞行速度有更大的提高，达到音速和超音速，首先就要突破活塞式发动机和螺旋桨的极限，突破音障的要求。于是喷气式发动机应运而生，使得飞机的发展进入喷气式时代。喷气发动机以燃气的高速喷射为飞机的飞行提供动力，与旧的推进装置相比，喷气发动机不仅结构简单，而且效率更高。它省略了活塞式发动机必不可少的众多汽缸和活塞，也省略了复杂的传动装置，减少了能量转换过程中的环节，减少了能量的损耗，比旧的推进装置有着更大的推重比。使用喷气发动机后，不再需要螺旋桨，也就从根本上克服了螺旋桨推进达到音速时碰到的激波问题。从此，笨重的螺旋桨开始从飞机动力装置上逐步被淘汰，飞机发展到今天，除了极少量特殊用途的飞机外，已经很少见到用螺旋桨推进的飞机了。
喷气发动机有两大类，一类是空气喷气发动机，一类是火箭喷气发动机。这两类发动机的工作原理相同，都是通过喷射燃气产生推力。德国在第二次世界大战后期，曾在飞机上使用过这两类发动机。它们各有特点，空气喷气发动机工作时离不开氧，要借助于大气，其工作时间较长；火箭喷气发动机工作时不需要氧，可以在空气稀薄的高空工作，但其工作时间较短。直到今天，飞机仍然使用的是这两类发动机，只是性能不断得到改进和提高。1939年，德国的He178飞机试飞成功，成为世界上第一架喷气式飞机。1945年，装有两台喷气发动机的英国“流星”式飞机的飞行速度达到976公里/小时，创造了当时的世界纪录。1950年，在朝鲜战争中，美国的F-86A“佩刀”式飞机与苏联的米格-15飞机，进行了人类历史上的首次喷气式飞机之间的空战。
同时，为突破音障，还需要不断改进飞机旧的气动力布局，改变飞机旧的机翼外形。机翼是飞机的主要部件，其基本功能是使飞机获得飞行所必需的升力。早期的机翼是平直机翼，机翼的前缘与机身的纵轴几乎呈垂直状态。1945年，英国研制了一种安装了当时最先进的喷气发动机的飞机，其平飞速度达到976公里/小时，从高空俯冲时达到1120公里/小时，接近音速。但没过多久，两架飞机先后在空中解体。研究后发现，当飞机飞行速度接近音速时，在机翼上会产生激波，使机翼上的空气压力发生变化，气流变得非常紊乱，致使飞机抖动，出现诸如机翼下沉、机头向下栽或在爬高时自动上仰等症状，使得飞机难以控制，当飞机不受操纵地作自动俯冲时，俯冲增速形成的负载，超过飞机所能承受的强度，从而使飞机解体。机翼上产生激波后，飞机的阻力也会急剧增加。仅靠发动机的改进，不能消除激波，也很难使飞机突破音速，要克服音障，还必须改进机翼。进入喷气式时代以后，为了适应突破音障的需要，机翼经历了从平直翼到后掠翼又到三角翼再到可变翼的发展过程。
后掠翼。机翼的前缘与飞机的纵轴线形成小于90度的夹角，整个机翼向后倾斜，使飞机看起来像只飞行的燕子，且后掠角超过25度。25度是后掠翼与平直翼的区别拐点。后掠翼能有效延缓翼面局部音速气流的产生，减小飞行阻力的作用。飞行阻力作用于后掠机翼时会被分解。第二次世界大战期间，德国在后掠翼的研究方面就已经取得相当成就。德国战败后，这方面的材料为苏联所获，1947年，他们将后掠翼技术用在了米格-15上，随后，美国也在F-86“佩刀”式上使用了后掠翼技术，使它们的飞行速度均达到了1050公里/小时左右。
三角翼。随着飞行速度的不断提高，机翼的后掠角也不断增大，当机翼后掠角增大到55～60度时，后掠翼便演变成了三角翼，也就是机翼前缘为大后掠角，后缘基本平直的机翼。三角翼的出现，满足了飞行速度从亚音速到超音速的发展需要。其气动力方面的优势是当飞行速度从亚音速过渡到超音速时，机翼的压力中心变化较小，超音速飞行的阻力也较小，有利于超音速飞行。在结构方面，由于三角翼的根弦较长，与后掠翼相比，在相对厚度相同的条件下，三角翼根部的绝对厚度较大，对结构受力和内部空间的利用比较有利。机翼与机身通常采用多点连接的方式，以起到加强的作用。苏联的米格-21、美国的F-4和中国的歼-8Ⅱ都是三角翼飞机。
可变翼。即机翼的后掠角可以调整变化，与不变翼相区别。为了提高飞行速度，减小飞行阻力的需要，机翼的后掠角越来越大，但其升力却越来越小，起飞时往往要滑行很长的距离才能获得所需的升力。满足了高速飞行的需要，但却使低速的飞行性能越来越差。为了使超音速飞机的高速性能和低速性能能够得到兼顾，于是产生了可变翼技术。机翼掠角可以根据高速飞行和低速飞行的不同需要而加以调整。高速飞行时，使用大后掠角，这时飞机的阻力小，加速性能好，抗阵风能力强；低速飞行或者起降时，使用小后掠角，机翼展弦比大，升力大，起降安全飞机的续航时间长，经济性好。可变翼技术其机理并不复杂，关键是要有一套安全可靠的传动机构。从20世纪40年代开始研究，直到20世纪60年代后，该技术才开始走向成熟，并逐步在军用飞机上被采用。自从1964年世界上第一架实用的可变翼飞机F-111出现以后，先后有10多种可变后掠翼飞机相继问世，如F-14、米格-23、苏-24和“狂风”等。
当前，在三角翼的基础上还出现了机身融合的设计趋向。机身一体化使得飞机从外形上看，已经没有了传统的机身机翼之分。这种设计思想适应了飞行速度更快（达到音速的3倍）、隐形、扩大飞机的可利用空间等新的需要。美国20世纪60年代研制成功的RS-71高空超音速侦察机就开始采用机身融合技术，F-16也从机身融合技术中得到益处，近年来出现的F-117隐形飞机已和传统的飞机外形大不相同，而A-12舰载攻击机看起来已经完全没有了机身，成为一个三角机翼，从而被称为“飞翼”式飞机了。由于推进技术的革命、机翼气动力学的研究和改进，飞行速度终于突破了音障。