现代超音速飞机的出现
现代超音速飞机的出现
自从世界上诞生了第一架飞机以来，科学家们就着手研究怎样使飞机飞得更快和更高。要提高飞行速度，就要增大发动机功率，减轻飞机重量。早期的飞机采用活塞式发动机，最终靠螺旋桨转动带动飞机飞行。那么要飞机飞得快，就要使螺旋桨转动得快，但是这样飞机受到的阻力也就越大，因此它的效率就大大地降低，速度仍无法提高。再者增大活塞式发动机功率的主要方法，是增加汽缸容量，这样飞机重量将增加非常大，而无法起飞，由此产生了新型发动机——喷气发动机。
1928年，一名英国空军军官提出了涡轮喷气发动机的设计方案，但没有受到重视，直到1935年6月才开始研制，1937年4月试制完成。这种发动机从前端进气口吸入空气，经压缩升温送入燃烧室，与雾化燃料混合燃烧后产生高温高压气体，此气体从尾部以极高的速度喷出，同时产生很大的反作用力推动飞机前进。因此，喷气发动机的作用是直接产生反冲推力，把燃料的化学能转变为飞机前进的机械能，而不需要通过能量转变的中间环节——活塞、螺旋桨等等，这就减少了能量的损失，飞机重量也减轻，大大提高了飞机的飞行速度及飞行高度。1939年8月德国研制的世界上第一架喷气式飞机He－178升空，时速达640千米。
喷气发动机的出现，为提高飞行速度和高度创造了良好的条件，但是又出现了新问题:音障和热障。我们先看一下音障问题。
声音传播是一种振动传播过程，它的传播速度称为声速或音速。在标准大气压下，声波在15℃空气中的音速为340米/秒，即1224千米/小时。通常人们把飞行速度为0．1～0．8倍音速(即马赫数M=0．1～0．8)的飞行称为亚音速飞行，0．8～1．2倍音速称为跨音速飞行，1．2～5．0倍音速的称为超音速飞行，5．0倍音速以上的称为高超音速飞行。
当一个高速飞行物体的速度接近音速时，前方的空气因来不及散开而受到严重压缩，密度、温度和压力急剧增加，仿佛有一堵无形的铜墙铁壁阻止该物体向前飞去，这种现象就叫做音障。
活塞式战斗机虽然速度低，但当它时速为六七百千米时，如果再连续俯冲，飞机速度就会加大，在接近音速时，整架飞机会突然发生震颤，操纵机构失灵，阻力增大，并且由于发动机功率和机翼、尾翼等部件强度不够，飞机就像撞到一堵墙上一样，突然爆炸。第二次世界大战中，许多飞机就这样莫名其妙地失事了。飞行员们也意识到接近音速飞行的危险性，只是不知道这是音障在捣鬼。一名叫哈利逊的美国飞行员在飞机爆炸前的瞬间跳伞逃出飞机，他回忆说:“简直像在梦中，机翼咯嗒咯嗒剧烈颤抖起来，舵就像被卡死了一样，怎么也搬不动。突然，砰的一声，飞机就被一把无形的大锤打得粉碎。”
要使高速飞行的飞机冲破这堵无形的高压空气墙，克服音障飞行，首先要增大发动机功率，同时还要增加飞机各部件及连接处的强度，使飞机外表面尽可能光滑，改进飞机外部形状等等。早期的喷气式飞机虽然飞行速度有所提高，但还有许多问题没有解决，所以各国纷纷开始研究克服音障的办法。
英国著名飞机设计家德·哈维兰父子面对二战中伦敦屡遭德军V－2火箭的轰炸，决心研制出一种新型的超音速飞机，将德国飞机消灭在本土之外。父子俩经过一年多的努力终于制造出一架接近音速的战斗机。1946年11月19日，第一次跨越音速的试飞开始了。小哈维兰驾驶飞机飞上蓝天，随着飞机速度的不断增大，突然天崩地裂的一声巨响，崭新的喷气式飞机炸成了无数碎片，暴雨般倾天而下，小哈维兰当场身亡。
美国在1943年成立了专门的研究机构，还花费2亿美元建立了2000千米/小时的高速风洞，由贝尔公司着手研制超音速飞机。钱学森和他的导师冯·卡门(1881—1963年)等人，很快就掌握了亚音速、跨音速和超音速空气流动的特性，并开始研究火箭。钱学森与冯·卡门教授一起最早提出了高超音速流的概念，高亚音速飞机采用的设计公式就是以“卡门－钱公式”命名的。1947年10月14日，又一次突破音障的试飞在加利福尼亚州的木罗克大干湖上空开始。这次的试验机采用了火箭喷气发动机，这种发动机本身带有燃料和氧化剂，不需要外界空气来助燃。而前面所介绍的喷气发动机只携带燃料，需要外界空气来助燃，不适宜在空气稀薄的高空飞行。火箭喷气发动机的特点是功率巨大，可使飞行速度增大，并且飞行高度不受限制。装有新型发动机的飞机命名为X－1火箭飞机，它的机身长仅有9．45米，翼展8．55米，前端呈针状，外形圆滑像一枚炮弹(图2－10)。试飞员查尔斯·耶格是二战中曾击落13架敌机、有270多小时飞行经验的飞行员。
X－1火箭飞机先由B－29轰炸机携带到7620米高空，B－29像投炸弹般将X－1飞机投出。这时耶格启动X－1飞机的4排火箭喷气发动机，产生26460牛的推力。飞机尾部喷出一股白烟，速度不断加快，飞机爬升到12800米高空后改为平飞。关掉发动机让飞机向下俯冲，当速度达到0．8倍音速时，耶格感到随着速度的增加，飞机的振动愈加强烈，耶格紧握操纵杆的手在颤抖。当达到0．94倍音速时升降舵操纵失灵，耶格冷静沉着，用改变水平安定面迎角的方法来驾驶飞机，使速度继续接近音速并越过音速，飞机突然停止了颤振，飞机也变得轻盈了，音障突破了!这时的速度达到1．06倍音速(即M=1．06)，实现了历史上第一次超越音速的飞行。为此耶格荣获了1947年科利尔奖，这是航空技术的最高成就奖。
图2－10 X－1飞机
在X－1飞机基础上，1956年9月贝尔公司又研制了X－2火箭飞机，时速达3450千米，飞行高度可达3800米。而X－15高超音速实验机于1967年10月创下了7296千米/小时的世界纪录，它由B－52轰炸机带至高空再点火飞行。X－15高超音速实验机采用液态燃料，乌黑的机身由镍基超合金制成，耐高温，机翼短而薄。
音障突破后，人们又面对热障问题。由于被压缩的空气会发热，并且机身与空气摩擦也产生热，所以当飞机超音速飞行时，它表面温度高达3000℃，这时会出现金属材料复合力降低，甚至变形;不同金属制成的部件受热后膨胀不同，相互间的连接发生问题，有可能造成飞机解体;一些塑料、有机玻璃部件会软化，失去其性能;舱内温度升高……这就是热障现象。降低飞机外表面温度，是克服热障的有效方法。如采用耐高温材料，或机身涂一层耐高温、隔热或吸热材料。再就是使飞机表面非常光滑，减少摩擦生热，这些措施都能有效克服热障。
有了先进的发动机及音障、热障问题的解决，飞机的飞行速度迅速提高。1953年，美国制造了F－100超音速战斗机。随后前苏联造出米格－19超音速飞机，英国制造出“猎人”超音速飞机。到20世纪50年代，美国和前苏联的军用飞机都达到了两倍音速。到20世纪60年代，美国的F－111和前苏联的米格－25等飞机，均达到3倍音速，飞行高度为3万米。现在，一般战斗机的速度都超过音速的3倍，大型民航客机也多以2倍音速飞行。
第二次世界大战后，喷气民航飞机迅速发展起来，出现了许多大型超音速客机，如前苏联的图－144客机时速约2500千米，能载乘客120人。
目前由德、英、意和西班牙4国联合研制的欧洲战斗机，是单座、双发动机的喷气式超音速飞机，速度为2倍音速，飞机全长15．9米，飞行距离可达2500千米。
在1999年国庆阅兵中，我国自行设计、研制的新一代超音速歼击轰炸机——“中国飞豹”17BC－1飞机首次亮相。“中国飞豹”飞机完全是依靠自己的力量设计、制造和试飞成功的新一代作战飞机，具有4个第一:第一架完全按照国际军标自行设计制造的歼击飞机;第一个地面试验和试飞规模最大、过程最全、试飞架次最多的机种;第一个自觉进行可靠性和维修性补充设计的机种;我国第一次用计算机辅助设计管理型号研制全过程的机种。新型战鹰具有全新的外形设计、先进的电子设备和优良的火控装备，能对地面、海上目标实施有力的攻击，集歼击、轰炸任务于一身，既有强大的进攻能力，又有良好的自卫能力，是未来高科技战争中的“杀手锏”。
从第一架超音速飞机的试飞成功到如今，各式各样的超音速、高超音速战斗机、轰炸机、高空侦察机和民航客机不断研制出来，飞机的形状、机翼的形状五花八门，飞行速度不断提高。正研制的新一代超音速飞机可能会取消前面的挡风玻璃，取而代之的将是配备导航系统、雷达和红外线影像的大型电视屏幕，只在侧面有很小的玻璃窗，驾驶员将通过前面的屏幕看到机舱外情况。未来高速客机不光速度更快，而且载客量也增大，到时你只要花现在一半的时间，就可以飞往世界各地了。我们相信，随着新型发动机的研制、航空技术和计算机技术的发展，新一代超音速航空飞机将会出现在地球上空!