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比声音还快(一)(完)
自从莱特兄弟为人类插上翅膀以来,人们一直梦想着飞得更高更快。英国人FrankWhittle于1930年申请了第一个喷气式发动机的专利,德国人HansVonOhain在不知情的情况下,于1936年也独立申请了自己的专利。两者的基本原理相近,但具体细节不同。Whittle的发动机到1941年才在GlosterPioneer上试飞,而Ohain的发动机在39年就首先在Henkel178轰炸机上试飞了。在第二次世界大战还在如火如荼的1942年,英国的迈尔斯飞机公司(MilesAircraftCo)就受命开始秘密设计M52超音速飞机,但由于战事紧张和国力衰竭,英国政府下令迈尔斯将所有设计数据移交给美国,贝尔飞机公司接手之后,于1948年成功地将X-1实验型飞机飞上天,在著名的试飞员ChuckYeager的操控下,于1947年10月14日首次在平飞中突破音速。在1948年10月的试验中,M52的30%,证明英国人原来的计算和设计是正确的。
ChuckYeager和他的X-1。按二战时就开始的老规矩,命名为GlamorousGlennis,Glennis那时还是女朋友,后来成为妻子。Glennis死后13年,Yeager和小他36岁的VictoriaD’Angelo结婚,子女把后妈告上法庭,说她纯粹是为了名利,Yeager一世英雄,到老了反而摊上这么一摊烂事
除了从事研究性试飞外,Yeager也是美国空军作战飞机试飞和评估的主力,在1947-54年期间,平均每月要飞100小时以上,有一个月竟然飞了27种不同型号的飞机
ChuckYeager后来离开试飞员的行当,担任一线战斗机部队的中队长、联队长,在67年北朝鲜扣押美国情报船“普韦布洛”号事件中,负责空中行动。在62-64年担任试飞员学校校长期间,训练了第一批宇航员,小说和电影TheRightStuff就是讲的这一段。Yeager的最后职务是驻德国拉姆斯坦茵的第17航空队副司令
老家伙现在还不闲着,时不时上天遛一圈。左面的BobHoover,二战中在欧洲被击落被俘,逃出集中营,偷了一架FW190战斗机自己飞回来了。右面的是FrankBorman,双子星7号飞船的指令长,首次实现太空对接,后任阿波罗8号指令长,首次飞出地球轨道,绕月飞行。
人们很早就知道,推力只是实现超音速飞行的一部分。物体以接近音速飞行时,空气的性质变了。飞机飞行时,对前方空气产生压缩,形成的压力波以音速传播。,压力波跑在飞机前面,在一定程度上起到把前方空气推开的作用。但以音速飞行时,前方的压力波“躲闪不及”,叠在一起,阻力急剧增加,阻力比亚音速时增加3倍,飞机就像一头撞到一堵墙上一样,这就是“音障”(soundbarrier)之说的来源。然而,,飞机跑到压力波前面去了,飞机的机头形成锥形激波,空气压力沿激波前锋急剧升高。激波前锋之后的压力急剧下降,到机尾压力达到负压
,在机尾后压力急剧恢复到常压,整个压力分布呈骤升-缓降-骤升的N形,所以常被称为N形波。由于N形波前锋的拖带和后缘的推动,超音速飞行的飞机所在的N形波中间部分的气流反而是亚音速的。激波在正好音速的时候,几乎是垂直于飞机前进方向的平面;随速度增加,激波呈越来越尖锐的锥形,速度增加,锥形的“后掠角”也增加,所以超音速飞行的阻力增加的速率随速度的增加反而下降,超音速后,速度增加一倍,阻力只增加30-50%。这个性质只和音速或马赫数有关,不管在什么高度,飞机以相同的马赫数飞行,其经受的气动条件是等同的,而和以公里/小时计算的实际速度和高度的关系不大,所以高速飞机常用音速而不是实际速度来描述。音速或马赫数随空气条件而改变,但不是单调地改变,也就是说,并不是一路上升或一路下降,而是有升有降。在海平面时,。到
10000米高空,。但超过20000米高度后,音速又随高度增高,比如,30000米时,。但是48000米以上时,音速又开始下降。
音速以马赫数度量,马赫数当然就是以奥地利物理学家ErnstMach命名的。说他是奥地利物理学家,捷克人可能要不满意,因为马赫出生于捷克的Brno,后来也回到布拉格的Char
les大学做教授,但他的学业和主要研究是在奥地利完成的。捷克是当时奥匈帝国的一部分。这是马赫同学的尊容
随着飞机速度的增加,飞机对前方空气压缩形成的压力波不断被压紧,在音速的时候被压到一起,阻力急剧增加。超过音速后,飞机把压力波甩到身后,阻力反而减小
波导阻力在音速达到最高
超音速飞行时,激波后的空气压力和温度急剧下降,导致水汽冷凝,形成雾化现象
风洞里F-14的激波图像
NASA的T-38在空气中飞行时形成激波的照片
音速是随高度变化的,更具体地说,是随空气温度而变化