中国科普博览＿航空博物馆

突破音障（一）

第二次世界大战后期，战斗机的最大速度，已超过每小时700公里。要进一步提高速度，就碰到所谓"音障"问题。声音在空气中传播的速度，受空气温度的影响，数值是有变化的。飞行高度不同，大气温度会随着高度而变化，因此当地音速也不同。在国际标准大气情况下，海平面音速为每小时1227.6公里，在l1000米的高空，是每小时1065.6公里。时速700多公里的飞机，迎面气流在流过机体表面的时候，由于表面各处的形状不同，局部时速可能出700公里大得多。当飞机再飞快一些，局部气流的速度可能就达到音速，产生局部激波，从而使气动阻力剧增。

　　这种"音障"，曾使高速战斗机飞行员们深感迷惑。每当他们的飞机接近音速时，飞机操纵上都产生奇特的反应，处置不当就会机毁人亡。第二次世界大战后期，英国的"喷火"式战斗机和美国的"雷电"式战斗机，在接近音速的高速飞行时，最早感觉到空气的压缩性效应。也就是说，在高速飞行的飞机前部。由于局部激波的产生，空气受到压缩，阻力急剧增加。"喷火"式飞机用最大功率俯冲时，速度可达音速的十分之九。这样快的速度，已足以使飞机感受到空气的压缩效应。为了更好地表达飞行速度接近或超过当地音速的程度，科学家采用了一个反映飞行速度的重要参数：马赫数。它是飞行速度与当地音速的比值，简称M数。M数是以奥地利物理学家伊·马赫的姓氏命名的。马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验，最早发现扰动源在超音速气流中产生的波阵面，即马赫波的存在。M数小于1，表示飞行速度小于音速，是亚音速飞行；M数等于1，表示飞行速度与音速相等；M数大于 1，表示飞行速度大于音速，是超音速飞行。

　　第二次世界大战后期，飞行速度达到了650－750公里/小时的战升机，已经接近活塞式飞机飞行速度的极限。例如美国的P-5lD"野马"式战斗机，最大速度每小时765公里，大概是用螺旋桨推进的活塞式战升机中，飞得最快的了。若要进一步提高飞行速度，必须增加发动机推力但是活塞式发动机已经无能为力。航空科学家们认识到，要向音速冲击，必须使用全新的航空发动机，也就是喷气式发动机。

　　二战末期，德国研制成功Me-163和 Me-262新型战斗机，投入了苏德前线作战。这两种都是当时一般人从未见过的喷气式战斗机，具有后掠形机翼。前者装有1台液体燃料火箭发动机，速度为933公里/小时；后者装2台涡轮喷气发动机，最大速度870公里/小时，是世界上第一种实战喷气式战斗机。它们的速度虽然显著超过对手的活塞式战斗机，但是由于数量稀少，又不够灵活，它们的参战，对挽救法西斯德国失败的命运，实际上没有起什么作用。

　　德国喷气式飞机的出现，促使前反法西斯各国加快了研制本国喷气式战斗机的步伐。英国的"流星"式战斗机很快也飞上蓝天，苏联的著名飞机设计局，例如米高扬、拉沃奇金、苏霍伊和雅科夫列夫等飞机设计局，都相继着手研制能与德国新式战斗机相匹敌的飞机。

　　米高扬设计局研制出了伊-250试验型高速战斗机，它采用复合动力装置，由一台活塞式发动机和一台冲压喷气发动机组成。在高度7000米时，这种发动机产生的总功率为2800马力，可使飞行速度达到825公里/小时。1945年3月3日，试飞员杰耶夫驾驶伊-250完成了首飞。伊250在苏联战斗机中，是飞行速度率先达到825公里/小时的第一种飞机。它进行了小批量生产。

　　苏霍伊设计局研制出苏-5试验型截击机，也采用了复合动力装置。1945年4月，苏-5速度达到800公里/小时。另一种型号苏-7，除活塞式发动机外，还加装了液体火箭加速器（推力300公斤），可短时间提高飞行速度。拉沃奇金和雅科夫列夫设计的战斗机，也安装了液体火箭加速器。但是，用液体火箭加速器来提高飞行速度的办法并不可靠，其燃料和氧化剂仅够使用几分钟；而且具有腐蚀性的硝酸氧化剂，使用起来也十分麻烦，甚至会发生发动机爆炸事故。试飞员拉斯托尔古耶夫，就在一次火箭助推加速器爆炸事故中以身殉职。在这种情况下，苏联航空界中止了液体火箭加速器在飞机上的使用，全力发展涡轮喷气发动机。

　　涡轮喷气发动机的研制成功，冲破了活塞式发动机和螺旋浆给飞机速度带来的限制。不过，尽管有了新型的动力装置，在向音速迈进的道路上，也是障碍重重。当时，人们在实践中发现，在飞行速度达到音速的十分之九，即马赫数MO.9空中时速约950公里时，出现的局部激波会使阻力迅速增大。要进一步提高速度，就需要发动机有更大的推力。更严重的是，激波能使流经机翼和机身表面的气流，变得非常紊乱，从而使飞机剧烈抖动，操纵十分困难。同时，机翼会下沉、机头往下栽；如果这时飞机正在爬升，机身会突然自动上仰。这些讨厌的症状，都可能导致飞机坠毁。

　　空气动力学家和飞机设计师们密切合作。进行了一系列飞行试验，结果表明：要进一步提高飞行速度，飞机必须采用新的空气动力外形，例如后掠形机翼要设法减薄。前苏联中央茹科夫斯基流体动力研究所的专家们，曾对后掠翼和后掠翼飞机的配置型式，进行了大量的理论研究和风洞试验。由奥斯托斯拉夫斯基领导进行的试验中，曾用飞机在高空投放装有固体火箭加速器的模型小飞机。模型从飞机上投下后，在滑翔下落过程中，火箭加速器点火，使模型飞机的速度超过音速。专家们据此探索超音速飞行的规律性。苏联飞行研究所还进行了一系列研究，了解在空气可压缩性和气动弹性作用增大下，高速飞机所具有的空气动力特性。这些基础研究，对超音速飞机的诞生，都起到了重要作用。

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