突破「死亡壁壘」，現代航空器如何克服聲障?

軍情 10-18

原標題：突破「死亡壁壘」，現代航空器如何克服聲障?

看航空

本文大概

2633

字

分鐘

貝爾X-1機組人員合影

就在20世紀之初飛機剛剛誕生的那幾十年時間中，聲障被看作是任何人類航空器都難以逾越的「天塹」，曾幾何時，有無數的航空先驅者為了突破這道「天塹」，僅僅憑藉著在我們今天人眼中原始落後的航空器向著聲障發起了一次又一次挑戰，甚至在試飛中犧牲了寶貴生命，但是隨著兩次世界大戰中人類航空水平的不斷發展，在二戰結束後，人類的航空製造水平迎來了井噴式發展，聲障對於我們不在神秘，不在遙不可及，乃至於最終被人類徹底征服，今天我們就帶大家一起回顧一番，人類克服聲障的始末。

駕駛貝爾X-1完成首次超聲速飛行的飛行員查克·耶格

1947年的10月14日，是一個在人類航空史上永遠值得被銘記的日子，正是在71年前的這一天，人類的飛機首次實現了跨聲速飛行，美軍的王牌飛行員查克·耶格駕駛著貝爾X-1驗證機在1.37萬米的高空中，飛行速度達到了1.06馬赫，正式宣告人類航空器突破聲障，進入了超聲速時代。

何為聲障？

二戰中的高性能螺旋槳戰機P-51，速度達到765千米/小時

聲障一概念的出現最早是在上世紀40年代，時值第二次世界大戰，人類的航空科技在戰爭的刺激之下取得了飛速的發展，在當時便有許多高性能螺旋槳飛機的速度已經達到了聲速的一半以上，甚至於有的飛行員操縱螺旋槳戰機從高空俯衝時飛機的速度達到了0.7倍聲速，但即使這樣，在這些螺旋槳飛機接近聲速時都會因為劇烈的震顫使得飛機在空中失去控制，嚴重的會導致飛機在空中解體。

激波產生的原理示意圖

在隨後的不斷試飛中人們發現，當飛機以低於聲速的速度飛行時，飛機在空氣中產生的聲波會「走」在飛機的前端，並「驅趕」前方的氣流來為飛機「開路」，隨著飛機的速度不斷提升，飛機前方的聲波會被不斷壓縮最終堆疊至一處，而當飛機的速度超越聲速時，本就被壓扁的聲波會被進一步的「拉伸」，在飛機前方形成一層由聲波組成的「屏障」也就是激波，激波形成後，由於飛機前方的空氣已被極度壓縮，造成飛機周圍壓強的迅速上升，同時速度的提升也導致了空氣阻力的增大，使得飛機難以在繼續提升速度。

困難所在？

飛機在飛行中產生的局部激波

其實所謂的聲障問題，歸根結底還是速度二字，我們知道聲音在空氣中傳播的速度是隨著空氣溫度而產生變化，空氣溫度越低則聲音傳播速度越快，而在第二次世界大戰中，高性能的螺旋槳戰鬥機的速度超過了700千米/小時，當飛機以700千米/小時的速度在高空飛行時，其迎面而來的氣流沿機體表面流過時，由於各種複雜環境的影響，布局氣流的速度會超越聲速，並在飛機的表面產生局部的激波，使得飛行阻力急速上升，嚴重影響飛行安全。

機翼翼面上的低壓區

聯盟將定期舉辦「絲綢之路農業教育科技合作論壇」，通過多邊、雙邊的溝通會商，重點圍繞沿線國家和地區國計民生重大問題進行研討；鼓勵各成員在聯合建立教育科技機構、科技創新平台、技術推廣基地和絲路文明交流中心等方面積極探索，發揮示範帶動作用，努力擴大合作成效。

征服聲障

既然速度是突破聲障的關鍵，那麼想要最終征服它就必須從速度著手。回顧人類征服聲障的歷史，只有從兩個方面致力於提高戰機的速度。一是從飛機的氣動布局來說，盡量的減少飛行時的阻力，二是對發動機進行提升，增加動力系統提升速度。

採用後掠翼設計的米格-15

首先從氣動布局上講，二戰後的先進噴氣式為了提升速度大多採用後掠翼設計，後掠翼的出現正是為了減少局部激波為飛機帶來的阻力，因為在跨聲速飛行中，不論如何機頭的激波都是難以避難的，但當飛機採用大掠角的後掠機翼時，後掠翼的設計可將整個機翼收縮進機頭激波的鋒面以內，從而避免了機翼兩端的局部激波，因此二戰後期的早期噴氣式飛機直到後來的初代超聲速殲擊機來看，飛機機翼的後掠角不斷增大，到了二代戰機追求高空高速的時代更是普遍採用的更為堅固的三角翼設計。

F-102超聲速截擊機

除過機翼的後掠翼設計之外，美國航空氣動力學專家理查德·惠特科姆在1952年提出了跨聲速面積律理論，這個理論認為飛機在接近聲速時，在機身與機翼的結合部位，由於機身加上機翼的截面積，使得該部位截面積增大，經過該部位的氣流在這個區域就會向外擴張，從而給飛機帶來額外的飛行阻力，惠特科姆提出的解決辦法就將機身兩側適當收縮，形成一種「小蠻腰」似的設計，從而抵消掉多餘出的機翼截面積。最早應用該原理是美國的F-102截擊機，後來蘇聯國土防空軍的蘇-15截擊機也採用了類似的設計。

最早投入實戰的噴氣式戰鬥機Me-262

除了氣動布局的革新，在二戰後期，隨著噴氣式發動機與液體燃料火箭發動機被應用於戰鬥機領域，使得聲障在人類面前徹底褪去了神秘面紗，從德國的Me-262，到英國的「流星」，再到蘇聯的伊-250，這些早期的噴氣飛機打破老式活塞發動機在動力上的限制，使得其飛行速度可以達到800—900千米/小時，但是受限於當時噴氣式發動機的技術水平，在早期突破聲障的過程中，最大功臣還要數更為簡單粗暴的液體火箭動力飛機。

採用火箭發動機助推的蘇聯伊-250戰鬥機

其實早在二戰中，參戰國雙方都曾經嘗試在活塞戰鬥機上配備火箭助推器以此來提升速度，到了戰後美國人開始研發X系列試驗飛行器，用來探索航空航天中的未知領域，其中X系列的首款機型貝爾X-1作為一款液體火箭動力飛機，其設計目的就是為探究航空器的超聲速飛行，由於最初的設計構想是在二戰結束之前，所以貝爾X-1在氣動外形上的設計較原始，但是秉承著「力大磚推」的設計思路，貝爾X-1依然成功突破了聲障壁壘。

貝爾X-1與B-29

貝爾X-1用我們今天的眼光來看，與其說是飛機不如說是一款有人駕駛的大號「巡航導彈」，由於貝爾X-1的載重有限，無法攜帶大量液體火箭燃料，因此貝爾X-1在起飛時需要藉助B-29轟炸機將其掛載至高空後投放而下，之後貝爾X-1在空中滑翔時在使用火箭飛機多點火飛行，就是用這樣我們今天看起來甚至有些離奇的方式，使人類的航空器摸進了超聲速的大門，完成了人類在航空領域的一次劃時代壯舉。

擁有三倍聲速的SR-71「黑鳥」

突破聲障之後，人類對於速度的追求並沒有停止，隨著後來航空發動機技術進步，航空器從最初液體火箭發動機到後來的離心式、軸流式噴氣發動機，從最早X-1的1.06馬赫、到後來F-4、米格-21的2馬赫，再到「黑鳥」與「狐蝠」的3馬赫，在經歷了無數的付出與犧牲之後，人類終於掌握了跨越聲障的規律。在未來，人類對於航空器速度的追求一定會繼續上演，而聲障僅僅是一個偉大而又微小的開始。