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跑在声音的前面 飞行原理与战斗机的划代(3)

跑在声音的前面 飞行原理与战斗机的划代(3)

  为什么说超“音”速
  
  自从人类发明飞机以来,总是希望它能飞得更快。但是,飞得越快,空气给飞机的阻力也就越大。在飞行速度较低的情况下,阻力的大小和速度的平方成正比(这和升力的情况类似)。但在飞机速度增大到接近声音的速度时,阻力就会和速度的五次方成正比。如果速度超过音速,会出现一种特殊的阻力——波阻,即激波阻力,阻力增加得更快。例如,将一块1米见方的平板插在自行车上,以13千米/小时的速度向前,平板上的阻力只有10牛;将这块平板插在时速41千米/小时的卡车上,板上的阻力将增加到100牛,如果将它插在时速1300千米/小时的超音速飞机上,平板上的阻力高达100千牛以上。由此可见,速度的增减对于阻力的变化所引起的作用非常巨大,为了飞得更快,人类要利用智慧克服更多的阻力。那么,为什么是超音速飞机而不是普通的低速飞机产生波阻呢?为什么形容飞机快,说其速度是超音速,而不是超其它速度呢?
  这是因为,空气具有可以压缩的物理特性,当飞行速度较低时,空气的压缩特性对飞行没有什么影响:但飞行速度过大时,空气的压缩特性对飞行的影响就不能忽略了,而音速就是空气可压缩特性的量度。为理解这一点,我们可以从声波的形成来看。当你摇动一个铃铛时,铃铛的振动就压缩或扰动附近的空气(造成局部空气的压强和密度发生变化),附近的空气再扰动它身边的空气,在空气中便形成一疏一密的机械波向远处传播开去,传到人耳中会感觉到声音。WWw.11665.com这种疏密相间的机械波就是声波,它在空气中的传播速度就是音速,在海平面标准状态下,约等于1227千米/小时,或341米/秒。音速的大小和传播音速的介质有关,介质越难压缩,音速就越大。在水中,水的压强和密度比空气大得多,也难压缩得多,音速可达1450米/秒。而没有介质,声音便不能传播。
  飞机或者其它物体在空气中运动时,也会压缩前面的空气,使临近空气发生膨胀和压缩,形成疏密波。由于音速是空气可压缩程度的量度,所以,音速越大,空气越难被压缩。同时,飞机的飞行速度越大,飞机加给空气的压力就越大,空气被压缩得越厉害。由此可见,空气被压缩的程度,与音速成反比,与飞机飞行速度成正比。衡量空气被压缩程度的大小,可以把两个因素结合起来,它们的比值称为马赫数(m)。
  马赫数越大,飞机前面的空气被压缩得越厉害,对空气动力特性的影响就越大。一般认为,当马赫数小于0.5时,即飞机作低速飞行时,空气压缩性影响不大,可以把空气密度看作是不变的:当马赫数大于0.5时,就要考虑空气的压缩特性,从而增加了研究高速飞行时的复杂性。
  
  高速飞行的阻力墙激波阻力
  
  20世纪30年代后期,活塞发动机螺旋桨式飞机的速度,几乎已经达到这种飞机的极限,平飞时700多千米,小时,俯冲时在重力的作用下有加速效果会接近音速。但是,此时飞行员惊讶地发现,飞机已不听使唤,开始剧烈抖振,几乎不能操纵和控制,有时抖振太剧烈,会破坏飞机结构,造成坠地失事的惨剧。这种现象被称为“音障”,音速成为飞机速度不可逾越的障碍,航空发生严重危机。
  本文由论文联盟http://收集整理
  音障出现的原因是飞行速度大到一定程度时,空气被显著压缩。当飞机的飞行速度比音速还低时,同飞机接触的空气如同“通信员”,以传递声音的速度向前跑,沿途通知前方即将遭遇飞机的空气,使它们让路,飞机前面的空气才来得及从飞机周围柔顺地绕流过去。但是,当飞机以超音速飞行时,情况发生突变,此时飞机前面的空气已来不及躲避,受到飞机的冲击而被紧密地压缩在一起,堆聚起来形成一层薄薄的波面,在此之后的空气来流被压缩,压强突然升高,密度和温度随之增长,气流速度却随之降低。这个波面就叫激波,其厚度只有千分之一到万分之一毫米。但它像一堵堵墙,挡住了后面空气来流的去路,使得飞机必须冲破这些墙的层层阻隔(即波阻),才能继续高速前进。
  激波这种现象在20世纪30年代以前,对航空工业而言还很陌生,但从事炮弹研究和制造的人,早在很多年前就和它打交道了。由于炮弹在空气中运动的速度超过音速好几倍,所以总有激波存在。为减少阻力,提高速度,必须设计最好的炮弹形状。在一般情况下,人眼看不到激波的形状,但可以用光学的方法,在超音速风洞中拍成照片。
  激波所产生的波阻,其数值很大,能够消耗发动机全部功率的3/4。它的大小同形成的激波面形状有关,而激波面的形状,又同高速运动着的物体形状有关,激波面相对于飞行速度(或气流速度),可能呈垂直或偏斜状态,即有正激波和斜激波之分。如果物体的头部尖削,像矛头或刀刃似的,形成的是斜激波:物体的头部是方棱或者圆钝形,形成正激波。马赫数对于激波的形状也有影响。以炮弹为例,当马赫数等于或稍大于1时,在其尖头前面形成的是正激波,马赫数超过1很多时,形成斜激波。由于正激波的波阻总是比斜激波的大,当马赫数到达一定程度再进一步增大时,波阻的增大要比速度的增大慢一些,这也算是上帝对于人类提高飞行速度的照顾吧。
  
  “音障”能挡住飞机的前进吗?
  
  实际上,即使飞机的飞行速度小于1马赫,在飞机上的某个地方,仍然会产生激波,称为“局部激波”。
  让我们回忆一下流体的连续性定理,当气流流过飞机机翼时,由于机翼上部圆拱,气流在这里收缩,速度增加,到圆拱度最大的地方,流速就增加到最大。若飞机前方某一点的气流速度增大,即飞机的飞行速度增大,则机翼上最圆拱处的气流速度就不断增高,总

是比前方的速度高。如果前面某一点的气流速度不断增高,到机翼最圆拱处的局部速度达到音速,前方某一点的速度就叫“临界速度”,对应的马赫数称“临界马赫数”。
  为提高临界马赫数,或者说,为推迟机翼上某一点的气流速度达到音速的出现时间,应该采用较扁平、较薄的翼剖面,这样在机翼的不同位置处不会出现较大的速度变化。同时,其最大厚度尽量靠近中部:如果靠前,气流速度较早达到音速:如果靠后,破坏了机翼的流线型。
  当激波面形成后,气流往后流过激波面,会从超音速急剧地降为亚音速,激波面后的压强急剧增大,超过激波面前的压强,此时的激波面就像在机翼上方竖直放上了一块平板,发生气流分离,形成许多漩涡,即“激波分离”。由于局部激波后面的压强急剧升高,使得这里的压强与机翼底部压强所形成的压强差跟着降低,机翼上的升力也随之减小,如果升力减少得太多,就会造成激波失速。因此,激波对飞机飞行产生两方面的不利影响,一是波阻使得飞机的总阻力大大增加,二是使飞机升力大大降低,甚至出现激波失速。
  通常机翼上表面的气流速度要比下表面的大,机翼上表面的某一点首先达到局部音速后,会出现局部激波。随着飞行速度的增长,下表面也会出现局部激

波,当速度进一步增大后,机翼上下表面的局部激波会向机翼后缘移动,同时波阻也将增大。
  激波面一旦形成阻力“墙”,就会沿着机翼向翼展方向铺开,可以想像,翼展越小,或者说展弦比越小,则激波阻力“墙”越窄,也就是激波阻力越小。此时为保证足够的机翼面积带来足够的升力,可以让翼剖面变宽,机翼前缘应尽量尖削,在机翼前缘处形成斜激波,以减小波阻。
  
  鱼与熊掌不可兼得
  
  为推迟激波的出现,飞机机翼应该尽量薄一些(严格地说,相对厚度要小)。激波出现后,为减少波阻,前缘应尖一些,翼展小一些(或者严格地说,展弦比要小)。把机翼做薄和把机翼前缘做尖,是指机翼的剖面形状;减少翼展,说的是机翼的平面形状。实际上,翼剖面的相对厚度同波阻有密切的关系,波阻大致同相对厚度的平方成正比。近代高速飞机翼剖面的相对厚度都较小,大约5%~9%,而且还有继续减少的趋势。理论实验证明,菱形的翼剖面减阻效果最好,相比双弧形的翼剖面,减少了1/4的波阻。
  虽然小展弦比有助于减少高速飞行时出现的激波阻力,但为了减少诱导阻力,展弦比大一些好。因此,同时保证飞机的高速和低速飞行性能是一对矛盾,很难兼顾,正所谓鱼与熊掌不可兼得。
  
  燕子的翅膀与飞机的后掠翼
  
  虽然燕子无法做超音速飞行,但它的翅膀给了人类一定启示,不然飞机的后掠翼为何与燕子的翅膀如此相似。
  采用后掠翼可以降低机翼上的有效速度。不但能推迟激波的出现(即提高临界马赫数),还能减少激波阻力。气流的速度与升力垂直,当气流以一定的速度吹到平直机翼上时,整个速度可以用于产生升力,是全部有效的;而气流以同样的速度吹到后掠翼上时,机翼相对于气流速度是偏斜的,对于竖直向上的升力来说,只有垂直于升力的那一部分速度是有效的,而这一部分有效速度只是气流真实速度的一个分量,小于真实速度。所以,作用到后掠机翼上的有效速度减少了。对平直机翼来说,某个速度达到临界速度后,在它上面产生了局部激波和波阻。对后掠机翼来说,还得把速度再提高一些,才可能使它的一个分量达到临界速度。
  此外,大后掠角的机翼,在它前缘和后缘形成的激波是一个斜面,整个激波面也像一个箭头,以锐角对着气流,所以比平直机翼上形成的正对气流的激波面产生的波阻要小一些。这种机翼的后掠角一般在35度~60度之间,有的达到75度。三角机翼的减阻效果和大后掠翼机翼大体相似,其根部的翼弦较长,在同样的相对厚度下,机翼的结构强度比较高,可以做得很结实、牢固,同时有更大的机翼面积,但增加了机翼重量。
  在音速附近飞行的飞机,出现了一种“超临界机翼”,其外形特点是,后掠角很大,机翼和机身之间构成圆弧形,机翼后缘很弯,机翼上表面相当平坦,而且机身的轮廓向外扩展。这种超临界机翼在等音速飞行时,不会发生普通机翼出现的抖振和阻力急剧增大的问题。在这种机翼模型下安装凸起的发动机模型,在风洞中做实验,马赫数达到0.98,也不会出现激波。
  
  歼-6飞机为什么要有翼刀
  
  大后掠翼机翼虽然能够减少波阻,却带来翼尖失速的弊端。当迎面气流吹过后掠机翼时,有一部分沿着机翼流动,使附面层从翼根向翼尖逐渐变厚,在翼尖处形成“竖直平板”,出现气流分离,导致升力大大降低而失速。翼尖失速后,不断从翼尖向机翼中部和根部扩展,失速面积越来越大,飞机在飞行员没有察觉的情况下陷入险境,同时还导致飞机突然抬头,变得不稳定。
  为阻挡大后掠角机翼上的翼尖失速,可以在后掠机翼上安装翼刀:在机翼上顺气流安装的有一定高度的薄片。我国歼-6飞机上的翼刀,就表明它是一种超音速飞机。
  高速飞行和低速飞行通常是一对矛盾。很大的后掠角可以降低波阻,对超音速飞行有利,但由于展弦比和翼展小,机翼面积较小,低速飞行性能不好(例如

起飞着陆的滑跑距离较长)。因为在低速情况下,维持和产生升力必须要靠足够的机翼面积;在后掠翼情况下、如果气流相对速度已较低,后掠翼引起的有效速度将会进一步降低,这对于升力而言无异于雪上加霜。在高速情况下,升力则可以通过较高的气流速度来补偿。
  为解决这个矛盾,现代超音速飞机大多采用了变后掠机翼,例如美国的f-14、俄罗斯的米格-23等等。这种机翼从翼根或近翼根处向前或向后转动,向前转动时翼展和展弦比都较大,后掠角却减少,适宜于低速飞行。向后转动则相反,适应于高速飞行。对于舰载机上的超音速飞机而言,这样做还省去了一套折叠机翼的机构。
  在高速飞机上,如果采用大后掠翼或三角翼,尾翼一般也采用同样形式,高速飞机不但机翼和尾冀的形状很重要,机身形状也很重要。为降低波阻,一般采用头部很尖、又细又长的圆柱形机身,它的剖面最大处的直径往往只有机身长度的十几分之一,有的机身还做成中间细两头粗、蜂腰似的形状,这实际上是跨名速面积律或超音速面积律的要求,是为了保证在跨音速或超音速情况下减少激波阻力。这些办法所起的作用和采取前缘像刀刃似的薄机翼是相似的。
  
  又一道关口——热障
  
  飞机飞行时,其表面和空气发生摩擦,会使飞机的表面温度升高。在低速飞行时,发热很少,会很快散去。飞行速度较高时,温度增长越快,对飞机上的人员和设备都构成威胁。据计算,当飞行速度等于2.5马赫时,飞机头部的温度可达摄氏200℃;当飞行速度等于6马赫时,温度上升到约1300℃;当飞行速度等于20马赫时,温度会激增到15600℃,这已经超过太阳表面的温度(6000℃)了。
  对于热障,早已找到了相应的解决办法,要不然,20世纪60年代至今,天空怎么会到处飞行着超音速的军用飞机?如通过用耐高温的结构材料,如钛合金、不锈钢来制造飞机上的重要受力构件,用隔热层来保护飞机内部的构件、设备和人员,用水或其它冷却液冷却飞机结构的表面,或者特意在飞机表面采用相对容易引燃的材料带走部分热量等等,这些措施对防热都起到良好效果。
  
  逝去的飞鸟与“协和斯基”
  
  飞机上产生激波后,还会引起一种特殊现象,叫作“音爆”。飞机飞行较低时,你可以听到好像有雷声在轰鸣或炮弹在爆炸。这是激波传到地面后使得地面空气的压强突然增高的结果。音爆的强弱和飞机高度、速度、重量和飞行姿态等都有关系。飞机做超音速飞行时,飞行高度越低,音爆越强。在同样的飞行高度上,飞得越快,音爆也越强。
  音爆的问题在超音速民航机上尤其突出,因为民航机相对于战斗机,展弦比、重量较大,飞行高度低。
  “协和”号超音速客机是世界上唯一曾投入运营的超音速商用客机,英法两国于20世纪60年代研制成功。为适应超音速飞行,“协和号”采用了三角翼,机翼前缘呈s型,前机身和机头细长,而驾驶舱在机头的偏后位置,飞行员在起降时为保持一定的攻角会使机头向上,遮挡了飞行员视线。为改善起降视野,机头被设计成可下垂式。在起降时下垂一定的角度,以便飞机起降时,飞行员都有极好的视野。由于机头、机身细长且机头的下垂,使得“协和”号看起来极像一只飞鸟。
  飞行速度高需要大功率的发动机,所以“协和”号相对于普通的民航飞机,油耗较大,经济性较差,噪声也大,对环境污染大,很多国家都限制它降落。即便如此,“协和”号仍然安全运营30年。2000年7月25日,一架法航的“协和”号在起飞后不久由于油箱被异物打中而发生爆炸,造成114人遇难,“协和”号运营陷入低谷。2001年11月,为显示对“协和”号飞机复航的信心,时任英国首相布莱尔包租了一架“协和”号飞往美国与布什总统会晤。但好景不长,2003年底,“协和”号彻底退出运营。
  与“协和”号几乎同时,俄罗斯也曾经开发出另一种超音速客机——图-144,其外观与“协和”号类似。两者互相指责对方剽窃自己的成果,西方曾戏称图-144为“协和斯基”。1978年,因一起飞行表演时机毁人亡的事故,图-144未能投入运营。但是,人们并未因此放弃对超音速客机的追求。美国正在研制2.4马赫的超音速客机,可使现在10小时的飞行缩短到4小时,有望在2020年前后投入航线运营。
  本期主要介绍了飞机在实现跨音速和超音速飞行时所面,临的激波阻力和解决办法。但是,飞机仅仅飞得快是不够的,它还要易于操纵,飞得更稳,使飞机对气流的变化所带来的任何干扰应付自如。那么,如何做到这一点呢?请看下一期:飞得平稳而又灵活——飞行原理与战斗机的划代(4)。
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  •  更新时间:2013-03-10 21:48:20  作者:佚名 [标签: 飞行 战斗 战斗 飞行速度 战斗 飞行 ]
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