科技 | 为了适应超声速飞行 飞机进行了怎样的“变身”
超音速飞机是指飞机速度能超过音速的飞机。1947年10月14日,美国空军上尉查尔斯·耶格驾驶X—1在12800米的高空飞行速度达到1278公里/小时,M=1.1015,人类首次突破了音障。超音速飞机按照功能分为超音速战斗机、超音速轰炸机、超音速运输机、超音速客机、超音速侦察机、超音速教练机。民用超音速客机的代表是英法联合研制的协和超音速飞机以及苏联的图-144,美国即将服役的Boom客机。
音速是指声音在空气中传播的速度。高度不同,音速也就不同。在海平面,音速约为1224公里/小时。在航空上,通常用M(即马赫)来表示音速,M=1即为音速的1倍;M=2即为音速的2倍。当飞机飞行速度接近音速时,周围的流动态会发生变化,出现激波或其它效应,会使机身抖动、失控,甚至空中解体,并且还可产生极大的阻力,使难以突破M=1的速度。人们把这种现象称之为音障。
在第二次世界大战期间,一些活塞式战斗机在加速俯冲速度达到M=0.9时,就曾强烈感受到了音障,并有的飞机因此而失事。当喷气式飞机出现后,使飞机速度有可能大幅度提高时,能否突破音障就成为航空界注视的一大焦点。英国首先开始对超音速飞机进行研究。迈尔斯公司受官方委托于1943年研制M。52型喷气式飞机,目标是速度达到M=1.6。但由于当时有人在驾驶其它飞机接近音速时失事遇难,官方认为载人的超音速飞行太危险,后来终止了这一计划。美国于1944年开始了同样研究,它采用以火箭发动机为动力。贝尔公司于1945年制造出 X—1火箭实验机,X—1的机翼很薄,平直翼型。它需由一架B—29型重型轰炸机挂在机身下带到空中,然后在空中点火,脱离轰炸机单独飞行。1947年 10月14日,空军上尉查尔斯·耶格驾驶X—1在12800米的高空飞行速度达到1278公里/小时,M=1.1015,人类首次突破了音障。1953 年,试飞员道格拉斯驾驶着 “流星烟火”号飞机,在喷气发动机和火箭的双重推力下,首次以音速2倍以上的速度飞行。这说明,只要突破M=1,就不会再有音障存在。人们通过研究发现,采用向后倾斜的机翼可以延缓或消除音障现象的出现,并减少飞行的阻力,有利于提高飞行速度,所以后来的亚音速和超音速飞机大都采用有向后倾斜角度的后掠翼、三角翼或梯形机翼。最早具有后掠翼的实用飞机是40年代后期诞生的美国F—86和苏联米格—15战斗机。而第一种实用的超音速飞机是美国于1949年研制成功的F—100战斗机。
飞行中的飞机与空气作用,会导致空气振动。空气振动就像水中的涟漪一样,一圈圈传播开去,传播的速度就是声速。当飞机的速度和声速一样快时,飞机引发的前一圈空气振动“涟漪”还来不及传递开去,就被机身扰动的后一圈“涟漪”追上。这样振动的叠加就会产生一种叫“激波”的剧烈振动。激波在产生巨大飞行阻力的同时,还会使飞机抖动、失控,甚至空中解体。在第二次世界大战后期,一些速度较快的活塞式战斗机在加速俯冲速度达到约0.9倍声速时,就会碰上这种情况,有的飞机因此机毁人亡。这些现象使当时的飞机难以突破声速,因此人们将这种现象称之为“声障”,意思是飞机在接近声速时,就像撞到墙一样,使飞机难以逾越。
随着研究的深入,人们发现了适合超声速的翼型(即机翼的横截面形状)。一般亚声速飞机的机翼都采用圆头、两侧有较厚凸起的翼型,这种翼型在跨声速和超声速飞行时阻力变得很大。要减少超声速的阻力,最好采用菱形的翼型。不过,由于飞机需要在低速到高速的整个范围内使用,翼型的选用必须兼顾高、低速特性,所以大多数超声速飞机仍采用前缘圆头的翼型,只是圆头的曲率比较小。
除了改变翼型,飞机突破声障的最大“功臣”是后掠翼的采用。后掠翼的设想是20世纪30年代末开始提出的。人们发现,机翼上出现激波时的气流速度并不是飞机飞行的速度,而是机翼前缘垂直方向上的气流速度。如果飞机采用后掠翼,其垂直机翼前缘的气流速度分量就会低于飞行速度。因此与平直机翼飞机相比,在更高的速度下才会出现激波,从而推迟了激波的产生。即使在后掠翼的机翼上出现了激波,其压缩性效应也没有平直机翼上激波的压缩性效应那样强烈。
后掠翼虽然阻力小,但由于气流在机翼垂直方向上的分量速度低,使后掠翼在低速飞行时存在升力不足的缺点。而且后掠角越大,越容易造成升力不足,降低了飞机在低速飞行时的性能。因此,现在的战斗机采用了各种手段改进飞机的低速性能。
在后掠翼的基础上,人们又设计出三角翼。顾名思义,三角翼就是机翼平面形状是三角形的机翼,其优点是机翼刚性好,内部空间大等。在飞行性能上,三角翼基本与大后掠角的后掠翼的优缺点相同。为了使三角翼扬长避短,现在的战斗机很多采用中等后掠角的切尖三角翼。
飞机要突破声障,在机翼方面做的改动就是采用后掠翼或三角翼,而在机身、发动机等方面同样需要改动。
在机身方面,人们通过调整飞机的截面积分布以降低阻力。由于激波常常发生在机体截面积发生明显变化的地方,因此保证机体各处的截面积一样,就可以有效减少阻力。因此在机翼、尾翼与机身连接区的机身往往做成向内凹的形状,俗称“蜂腰”。这种设计可以在机翼截面积大的地方减少机身截面积,保证飞机的截面积基本保持不变。中国的歼-8Ⅱ战斗机就有蜂腰设计。
在发动机方面,超声速飞机放弃了阻力较大的涡轮螺旋桨发动机,而采用阻力小、动力强劲的喷气发动机。超声速飞机的进气道和尾喷管也都按超声速飞行所需的特性进行优化。
突破声速后,如果再向上提高飞行速度,就会碰到另一个障碍,即“热障”。如果飞机飞行速度超过2.2倍声速,由于空气在机身、机翼的前缘被剧烈压缩而导致强烈的气动加热,会产生高达数百摄氏度的高温,从而对机体材料产生很大的影响。一般飞机都是用铝合金做蒙皮,在飞行速度小于2.2倍声速时,铝合金的强度尚可维持,但超过这个速度,达到3倍声速后,铝合金就不能满足要求了。因此可按热障速度飞行的飞机要采用其他的耐高温材料,如美国的SR-71“黑鸟”采用钛合金作为结构材料,苏联的米格-25采用不锈钢。
飞行速度超过3倍声速时,普通喷气发动机的工作效率已不能满足要求,需要采用其他的发动机。例如,“黑鸟”在飞行速度达到3倍声速时,其发动机就通过某种机构变化使其变成冲压发动机,以保证高速飞行时的效率。
一般来说,高超音速飞行器的研究方式、方法,技术途径都不同于传统飞行器。要实现飞行器高超音速飞行,必须突破高超音速发动机技术和一体化设计技术,如飞行器机体和推进系统设计一体化、气动设计一体化、结构设计一体化等技术,以及材料与结构技术、高超音速空气动力技术、燃料高超音速推进系统、高超音速地面模拟和飞行试验技术等。
即使中国已经开始了高超音速飞机技术研究,但起步和美国相比还是较晚。从报道看,这次试飞的是从跑道上自由起降的飞机。美国自20世纪50年代开始研究吸气式高超音速技术,虽进行了不懈的努力,但到目前还没有研制出可在跑道上自由起降的吸气式高超音速飞机。
在发展高超音速飞机的路上,中国还有许多基础性技术需要突破,如高性能喷气发动机技术。因为如果像有些专家猜测的那样,我国这次试飞的飞机采用了“串联式涡轮冲压组合发动机”,拥有高性能喷气发动机技术将是前提。
飞机移交试飞中心试飞前,一般都要在工厂进行首飞和较长时间的试飞,而这次报道中所说的飞机已是移交到试飞中心的飞机,说明该机此前已经进行过若干次试飞。如果是高超音速飞机,取得这样重大的技术突破,却长时间没有任何消息,在今天的网络时代,似乎有些不可思议。
从报道中所提到的试飞中心投入的技术力量来看,也不符合高超音速飞机试飞情况。如果说,这次试飞,以某型飞机为载机,验证了我国预研的某项高超音飞机技术,还有些可信。当然,即使如此,也是非常可喜的。
编辑:参孙
来源:科普中国
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