微信朋友圈流傳了一篇圖集，里面是一幅幅飛機(jī)突破音障瞬間的照片。各種不同型號的飛機(jī)被一團(tuán)云霧包裹著在空中飛行。當(dāng)前，能夠突破音障飛行的大部分是戰(zhàn)斗機(jī)。客機(jī)有可能突破音障嗎？
空氣中有一堵無形的墻，墻那邊是什么
人們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛機(jī)在飛行速度超過聲速的十分之九，即馬赫數(shù)0.9，空中時速約950千米時，流經(jīng)飛機(jī)的氣流開始大范圍達(dá)到聲速，這時，空氣對飛機(jī)飛行的阻力會增加近一倍，在原有的動力條件下，航空器如果想進(jìn)一步提升速度必然會遇到阻礙。也就是說，所謂的音障即飛機(jī)的飛行速度接近聲速時，進(jìn)一步提高速度所遇到的障礙。飛機(jī)突破音障等于是飛機(jī)從高亞聲速加速到了超聲速這個過程，那么，為什么在這個過程中飛機(jī)的阻力會大幅度增大呢？
戰(zhàn)斗機(jī)突破音障
眾所周知，空氣是可以被壓縮的。飛機(jī)在飛行過程中，不斷對空氣產(chǎn)生新的擾動，這些擾動引起的壓強(qiáng)變化會在飛機(jī)前方積累，從而導(dǎo)致空氣密度發(fā)生變化。當(dāng)速度進(jìn)一步提高以至于接近聲速時，由于飛機(jī)對前方空氣擾動導(dǎo)致的壓強(qiáng)變化會層層積累，于是在飛機(jī)前面，空氣密度會急劇增大。而當(dāng)飛機(jī)以聲速飛行時，由于擾動的傳播與飛機(jī)運(yùn)動速度相同，這樣每一個擾動相對飛機(jī)來說就不再向前傳播，而是依次疊加在飛機(jī)頭部，造成擾動波的集中，形成一個波面。這時飛機(jī)與前面的空氣驟然相遇，引起劇烈的碰撞，空氣遭到強(qiáng)烈的壓縮，密度急劇增大，仿佛一面致密的空氣墻壁擋在飛機(jī)的面前。這就是所謂的激波?？諝庠谕ㄟ^激波時，會產(chǎn)生一種特別的阻力，即激波阻力。
由于飛機(jī)是個外形獨(dú)特的三維物體，其表面各處氣流速度并不一樣，導(dǎo)致了飛行中某個階段機(jī)體一些部位達(dá)到超聲速，一些位置暫時還沒達(dá)到。超聲速的地方會產(chǎn)生激波，阻力會突增，且激波會干擾機(jī)體表面氣流附面層，甚至導(dǎo)致附面層發(fā)生分離，這樣發(fā)生分離的機(jī)體部分升力也會下降，即發(fā)生局部失速。而沒超聲速的機(jī)體部分一般較少發(fā)生分離失速，因此升力阻力增長平緩。
可見飛機(jī)在突破音障過程中機(jī)體各部分受到的升力、阻力會不一致，這個過程中整個機(jī)身的升力、阻力和力矩會發(fā)生許多突變，使飛機(jī)振動（稱之為抖動）。這種劇烈的抖動，令飛機(jī)的操縱變得困難。隨著速度的繼續(xù)增加，飛機(jī)的阻力增加直到發(fā)動機(jī)推力等于阻力，飛機(jī)勻速運(yùn)動，讓飛機(jī)機(jī)體各個結(jié)構(gòu)幾乎都達(dá)到超聲速，機(jī)體表面激波系也達(dá)到飛機(jī)所設(shè)計(jì)的激波系，阻力和升力的變化也趨于穩(wěn)定，飛機(jī)便不再抖動。
這么一個突破音障的過程，我們?nèi)庋鬯芤姷降木褪秋w機(jī)周圍環(huán)繞的一圈水霧，有點(diǎn)像夾帶著一團(tuán)云在飛行。而在突破音障的過程中，這一圈水霧會首先出現(xiàn)在機(jī)體外形較為突出的部分。所以，大家會發(fā)現(xiàn)，在眾多飛機(jī)突破音障的圖片中，那一團(tuán)圓錐形狀的云霧出現(xiàn)的位置并不相同。
“帶著翅膀的子彈”投入商業(yè)運(yùn)營
了解了音障就會發(fā)現(xiàn)如果需要突破音障，一方面著重在飛機(jī)動力上進(jìn)行突破，也就是讓發(fā)動機(jī)擁有更大的推力；另一方面則是通過飛機(jī)氣動布局的設(shè)計(jì)，來減少激波阻力。對于飛機(jī)來說，這兩方面的變化都需要大量的研究和試驗(yàn)。一個比較形象的說法是突破音障飛行的飛機(jī)就好像帶著翅膀的子彈。要達(dá)到這種效果可不是件簡單的事，我們先來看看戰(zhàn)斗機(jī)是怎么做的。
戰(zhàn)斗機(jī)突破音障原理
當(dāng)前的超聲速戰(zhàn)斗機(jī)在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)時在尾噴口內(nèi)部有一個補(bǔ)充燃燒裝置（稱之為加力燃燒室），當(dāng)飛機(jī)飛行中接近聲速時，通過飛行員的操作會在發(fā)動機(jī)尾部進(jìn)行噴油點(diǎn)火，使得發(fā)動機(jī)的尾噴流再次進(jìn)行燃燒，以增加發(fā)動機(jī)的推力，獲得速度的突破。
但是戰(zhàn)斗機(jī)的這種設(shè)計(jì)方式并不適用于民航客機(jī)。姑且不說在尾噴管噴油點(diǎn)火以增加推力的耗油量巨大，其持續(xù)時間不長，戰(zhàn)斗機(jī)的超聲速飛行一般只能夠持續(xù)10-20分鐘，且噪音也十分大，因此無法直接搬到民航客機(jī)的設(shè)計(jì)上。
回到開頭的問題，客機(jī)有可能突破音障嗎？答案其實(shí)是肯定的。上世紀(jì)60年代末期，英法聯(lián)合研制的協(xié)和客機(jī)和前蘇聯(lián)研制的圖-144客機(jī)其實(shí)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了突破音障進(jìn)行超聲速飛行。
協(xié)和式客機(jī)采用了4臺羅羅公司的奧林巴斯（Olympus）渦噴發(fā)動機(jī)提供動力，這款發(fā)動機(jī)具備了一般在超聲速戰(zhàn)斗機(jī)上才使用的加力燃燒室，以使飛機(jī)快速突破音障，并能夠保證在飛機(jī)達(dá)到超聲速巡航速度后不需要開加力。協(xié)和式飛機(jī)的飛行速度能超過聲速的兩倍，最大飛行速度可達(dá)2.04馬赫，巡航高度18000米，巡航速度達(dá)到每小時2150千米。協(xié)和式客機(jī)在設(shè)計(jì)上把速度限制在2.2倍聲速以下，這一點(diǎn)十分重要，因?yàn)樗ＷC了飛機(jī)只過“聲障”而不過“熱障”，排除了飛機(jī)蒙皮溫度急劇升高的影響，意味著飛機(jī)除了承受高溫的部位采用耐熱的鈦合金和不銹鋼外，主要材料仍為鋁合金。
突破音障的協(xié)和客機(jī)
除了動力，協(xié)和式客機(jī)在飛機(jī)的氣動設(shè)計(jì)上也適應(yīng)了超聲速飛行。從外形上看，協(xié)和式飛機(jī)像一只巨大的鳥。它采用無水平尾翼布局，為了適應(yīng)超聲速飛行，機(jī)翼采用三角翼，機(jī)翼前緣為S形。三角翼的特點(diǎn)為失速臨界點(diǎn)高，飛行速度可以更快，且能有效降低超高速抖動時的問題。前機(jī)身細(xì)長，這樣既可以獲得較高的低速仰角升力，有利于起降，又可以降低超聲速飛行時產(chǎn)生的阻力，有利于超聲速飛行。
超聲速飛機(jī)在飛行時產(chǎn)生的強(qiáng)壓力波，傳到地面上形成如同雷鳴的爆炸聲。這對于商業(yè)運(yùn)行的民航客機(jī)來說不是一件好事。協(xié)和式客機(jī)由于音爆水平高，所以被限制不得在大陸上空進(jìn)行超聲速飛行。此外，還有安全性和可靠性方面的顧慮，最終導(dǎo)致了協(xié)和式飛機(jī)的停飛。
然而，也有不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，協(xié)和飛機(jī)停飛主因是燃料消耗大及維修困難，推高營運(yùn)成本。以發(fā)動機(jī)為例，相對于亞聲速客機(jī)，超聲速客機(jī)會把材料的性能使用到極限，這必然會增加成本。
超聲速客機(jī)要回來了，你會乘坐嗎
從飛機(jī)誕生起，人們就在追求飛行速度上的突破。超音速飛行自然早就受到科學(xué)家的關(guān)注。在最初的時候，飛機(jī)設(shè)計(jì)師并沒有意識到飛機(jī)在接近音速飛行時阻力會增加一倍。在突破這個速度的過程中，有不少飛行員獻(xiàn)出了寶貴的生命。
上世紀(jì)30年代，飛機(jī)設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)了接近音速的時候，飛行阻力會突然急劇增大。當(dāng)時沒有任何飛機(jī)能夠超音速飛行，那么根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)，很容易推論出如果繼續(xù)提高速度，阻力也會繼續(xù)急劇增加到無窮大，而當(dāng)時發(fā)動機(jī)的推力不足以應(yīng)對阻力。這樣看來，可能永遠(yuǎn)也無法做到超音速飛行，所以就把音速稱為高速飛行的終極障礙。
不過，科學(xué)家們并沒有放棄攻克這個障礙。1947年10月14日，美國試飛員耶格爾駕駛的X-1實(shí)驗(yàn)飛機(jī)在美國加利福尼亞州南部上空脫離B-29母機(jī)。隨后，耶格爾駕駛X-1飛機(jī)上升到12000米高空，在此高度上達(dá)到1066千米/時的速度，成為人類突破音障的第一人。
X-1實(shí)驗(yàn)機(jī)脫離B-29，首次突破音障
飛機(jī)激波阻力大小與飛機(jī)徑向截面積大小直接相關(guān)，美國科學(xué)家R.T.惠特科姆（Rechard T. Whitcomb)在1952年提出為了降低高速飛行的激波阻力，飛機(jī)徑向橫截面積應(yīng)設(shè)計(jì)得大致相等。這就是跨音速面積律?？缫羲倜娣e律一經(jīng)提出，立即應(yīng)用到了美國康維爾F102戰(zhàn)斗機(jī)的原型機(jī)開發(fā)上，取得了立竿見影的效果。形象的說即讓飛機(jī)的截面積變化跟一枚子彈類似，這樣能夠大幅度降低超音速飛行的阻力。同時，發(fā)動機(jī)推力的不斷提升也為更高的飛行速度提供了動力。
經(jīng)過近百年的技術(shù)發(fā)展，當(dāng)前音障已經(jīng)成為一個歷史概念，目前更多的研究在超音速飛行。事實(shí)上，當(dāng)前人們旅行和商務(wù)的需求讓超音速客機(jī)有很大的市場。雖然飛機(jī)制造商在不斷提升飛機(jī)客艙的舒適度。然而在跨洋飛行中動輒10個小時在空中還是會讓人覺得不太容易忍受。因此，協(xié)和客機(jī)停止服役之后，航空科學(xué)家仍在繼續(xù)研究著超音速客機(jī)。而正因?yàn)橛辛藚f(xié)和的經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)家們在降低噪音和油耗上也花費(fèi)著更多的功夫。
今年3月，美國國家航空航天局（NASA）宣布，向洛克希德·馬丁公司撥款2000萬美元，研究“寧靜超音速技術(shù)”(QueSST)，以減弱超音速客機(jī)飛行所產(chǎn)生的音爆強(qiáng)度。NASA表示，項(xiàng)目進(jìn)度受預(yù)算審批影響，目標(biāo)是于2020年讓新客機(jī)投入服務(wù)。
我國目前也越來越關(guān)注超聲速客機(jī)，在前不久發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，專門提到“開展未來民機(jī)產(chǎn)品概念方案（新構(gòu)型、新能源、超聲速）論證研究，突破氣動聲學(xué)與低噪聲設(shè)計(jì)、先進(jìn)航電、飛控技術(shù)、先進(jìn)多電、飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)，為提高民機(jī)產(chǎn)品競爭力提供支撐?！睋?jù)了解，超音速客機(jī)前沿研究的任務(wù)主要由中國商飛北研中心承擔(dān)。
