飞机速度史话――突破音障
第一个突破声障的飞行员
龙源期刊网 第一个突破声障的飞行员作者：彭龙飞来源：《大飞机》2017年第01期音障是上世纪40年代后期出现的一个名词。
音障也叫“声障”，是飞机接近声速飞行时引起的一系列不正常现象，如飞机阻力剧增，升力减小，螺旋桨效率下降，机体强烈振动，操纵失灵等。
声音在空气中传播的速度，由于受空气温度的影响，数值是有变化的。
大气温度会随着高度而变化，因此不同飞行高度下声速也不同。
在国际标准大气情况下，海平面声速为1227.6公里/小时，在11000米的高空，是1065.6公里/小时。
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，局部时速可能远超出700公里。
为了更好地表达飞行速度接近或超过当地声速的程度，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声速的比值，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声速实验，最早发现扰动源在超声速气流中产生的波阵面，即马赫波的存在。
M数小于1，表示飞行速度小于声速，是亚声速飞行；M数等于1，表示飞行速度与声速相等；M数大于1，表示飞行速度大于声速，是超声速飞行。
在突破“声障”过程中，很多科学家进行了不懈的努力。
世界上第一架冲击声障的飞行器是美国制造的X-1试验机。
它有尖尖的机头，薄薄的机翼，干干净净的外形，结构极其结实，用4台火箭发动机作为动力。
1947年10月14日，美国空军试飞员查克·耶格尔上尉，驾驶贝尔X-1型“空中火箭”式动力研究机，在12800米高空，飞行速度达到1078公里/小时，相当于M1.015。
24岁的查克·耶格尔成为世界上第一个驾机突破声障的飞行员。
上世紀60年代，英法合作研发“协和”超声速客机。
1969年10月1日，“协和”客机进行首次超声速飞行。
这次超声速飞行持续了9分钟，最高速度达到1.5马赫。
1970年11月，“协和”的飞行速度成功达到2.0马赫。
跨越音障，突破音速
跨越音障，突破音速展开全文飞机在超音速飞行前，必须突破音障。
音障是指飞机高速飞行接近声音速度时，由于前方的空气来不及散开而受到压缩，致使空气密度、温度增加，阻力增大，飞行速度不能再提高的现象。
自1901年莱特兄弟的“飞行者一号”诞生以来，人们就不断探索、尝试，研制更高速的飞行器，试图跨越音障，突破音速。
一、人类首次突破音障世界上第一次超音速飞行是美国飞行员耶格尔驾驶X-1飞机完成的。
X-1由贝尔飞机公司制造，拥有流线型机身，机长9.45米、机高3.35米：翼展8.54米、总重5.9吨，采用常规的平直机翼，并安装有火箭發动机。
1947年10月14日，X-1由B-29轰炸机携带至高空。
空投后，耶格尔启动火箭发动机，在万米高空进行水平飞行，终于突破了音障。
X-2验证机也是一款为高速飞行而生的飞机。
它由贝尔飞机公司、美国陆军航空队和美国国家航空咨询委员会（美国国家航空航天局前身）共同研制，机长13.84米，机高3.60米，翼展11 .55米。
与X-1不同的是，它采用后掠翼布局，并配有逃生舱。
1956年4月25日，试飞员埃伯依斯特驾驶X-2飞到了1.4马赫（1马赫相当于1倍音速），首次实现超音速。
7月23日，埃伯依斯特在20800米高空达到了2.87马赫。
9月27日，X-2在阿普特的驾驶下达到了3.196马赫。
但不幸的是，在返航途中X-2失控进入螺旋，阿普特牺牲。
二、探索高超音速飞行通常来讲，马赫数小于0.8称为亚音速，0.8-1.2为跨音速，1.2-5为超音速，马赫数大于5的为高超音速。
X-15是高超音速试验机的典范。
它是由美国航空航天局（NIASA）牵头，美国空军、海军和北美航空公司共同研制的。
1959年6月8日，X-15进行了首次滑翔飞行，同年9月17日，进行了真正的动力飞行。
在近十年的时间里，X-15先后创造了6.72马赫和107900米的速度与高度世界记录。
自1967年X-15飞行器创造了6.72马赫的高超音速后，人类一直没有停止对高超音速的探索。
初中物理飞机突破音障
飞机突破音障
音障是一种物理现象，当物体（通常是航空器，如飞机）的速度接近音速时，将会逐渐追上自己发出的声波。
声波叠合累积的结果，会造成震波(Shock Wave)的产生，进而对飞行器的加速产生障碍，而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障。
突破音障进入超音速后，从航空器最前端起会产生一股圆锥形的音锥，在旁观者听来这股震波有如爆炸一般，故称为音爆或声爆。
强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害，对于飞行器本身伸出冲击面之外部分也会产生破坏。
飞行器在速度达到音速左右时，会有一股强大的阻力，使飞行器产生强烈的振荡，速度衰减。
这一现象被俗称为音障。
当飞行器突破这一障碍后，整个世界都安静了，一切声音全被抛在了身后！。
突破音障
Chicago Air and Water Show (Aug. 20, 2005) F/A-18F Super Hornet, high-speed pass over North Avenue Beach.
The Space Shuttle...
STS-106, Space Shuttle Atlantis, Sep 8, 2000 JFK Space Center, Florida, USA
B-2 Spirit Stealth Bomber. Dec 30, 2002 shows that the extraordinary cloud affect is not exactly tied to the breaking of the sound barrier. Photo is credited to Bobbi Garcia
美丽的音障突破..
美麗的音障突破手動翻頁音障原理音障是一種物理現象，當航空器的速度接近音速時，將會逐漸追上自己發出的聲波。
聲波疊合累積的結果，會使機頭前部的空氣被壓縮成密度很高的“空氣牆”，使飛機難以逾越。
這種因為接近音速造成航空器提升速度出現障礙的現象稱為音障(Sonic Barrier)。
突破音障進入超音速後，高壓空氣牆的位能會轉為聲能，在旁觀者聽來這股震波有如爆炸一般，故被稱為音爆或聲爆(Sonic Boom)。
強烈的音爆不僅會對地面建築物產生損害，對於飛行器本身伸出衝擊面之外部分也會產生破壞。
除此之外，由於航空器的速度接近音速時，周邊的空氣受到聲波疊合而處於高壓狀態，因此一旦航空器穿越音障後，周圍壓力將會陡降。
在比較潮濕的天氣，壓力急降所造成的瞬間低溫，可能會低於它的露點溫度，使得水汽凝結變成微小的水珠，肉眼看來就像是雲霧。
但由於這個低壓帶會隨航空器離開而逐步恢復到常壓，因此整體看來猶如一個以航空器為中心、向四周均勻擴散的圓錐狀美麗雲團。
突破音障的美麗瞬間突破音障二戰後期，戰鬥機的最大速度，已超過每小時700公里．要進一步提高速度，就碰到“音障”問題。
若要突破音障，必須增加發動機推力，但是傳統活塞式發動機已經無能為力。
科學家們認識到，要向音速衝擊，必須使用全新的航空發動機，也就是噴氣式發動機。
除了發動機推力．更需克服的是飛機超音速時，流過機翼和機身表面的氣流，變得非常紊亂，從而使飛機劇烈抖動，操縱起來十分困難。
同時，機翼會下沉、機頭往下栽；如果這時飛機正在爬升，機身會突然自動上仰。
這些不良的飛行姿態，都可能導致飛機墜毀。
空氣動力學家和飛機設計師們於是密切合作，進行了一系列的飛行試驗。
結果顯示：要能穩定安全的超過音速，除了提高飛機的發動機動力外，飛機也必須採用新的空氣動力外形，例如使用後掠形機翼，機翼要設法減薄等。
1941年德國研製成功Me-163和Me-262噴射戰鬥機，但由于希特勒的錯誤認識，未積極推動量產，直至1944年方組隊投入了蘇德前線作戰。
第四代战机的重要标准之一突破声障
第四代战机的重要标准之一突破声障1740年，罗宾斯在进行炮弹实验时，发现当炮弹时速超过820英里，即大于声波在空气中的传播速度约760英里/小时，炮弹受到的阻力突然增加，远远偏离牛顿的平方阻力公式。
但是，超过声速以后，阻力又开始下降，逐渐趋向正常。
这种阻力在声速附件突然上升的现象就称为“声障”（sound barrier）。
现在已经知道，声障实际上是：当飞行器的速度接近声速时，飞行器将会逐渐追上自己发生的声波，造成声波叠合累积，会造成激波（shock wave）的产生，进而对飞行器的加速产生障碍的物理现象。
激波的出现，还将导致飞行器升力骤降，头重尾轻，甚至机翼、机身发生强烈振动。
因此，如何突破声障就成为摆在力学家和航空工程师面前的一个难题。
突破声障，使飞机器，尤其是战斗机进行超音速飞行甚至巡航成为了可能。
下图是一架“超级大黄蜂”战斗机在纽约航空展上，表演突破音障的精彩瞬间。
可以明显的看到在机身周围的蒸汽不断堆积，形成了圆锥般的云雾，通常被称为“冲击波项圈”或“蒸汽锥”。
这种现象之所以发生，是因为当物体的速度快要接近音速时，周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态，因此一旦物体穿越音障后，周围压力将会陡降。
空气中的水蒸气，因压力陡降所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的露点温度，使得水汽凝结变成微小的水珠，肉眼看来就像是云雾般的状态。
但由于这个低压带会随着空气离机身的距离增加而恢复到常压，因此整体看来形状像是一个以物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团。
目前的主流战机突破声障实现超音速飞行，已不是难事。
但是要进行超音速巡航却不易。
超音速巡航能力，是要求飞机具有在发动机不开加力的情况下，能在M1.5（1.5马赫数，即1.5倍声速）以上做超过30分钟的超音速飞行。
是否拥有此能力已经成为第四代战机的重要标准。
目前只有美国的F-22, F-35, 俄罗斯的T-50具有超音速巡航能力。
中国目前最先进的战斗机歼-10被称作第三代战斗机，它应该与F-16属于同一技术等级。
飞行器的“三障”之一“音障”
知识普及：飞行器的“三障”之一“音障”人类在探索飞行器的过程中，曾遇上三个拦路虎，就是人们常说的“三障”，即“音障”、“热障”和“黑障”。
所谓“障”就是在技术上遇到的障碍。
自美国人莱特兄弟1903年发明飞机以后，人们逐渐认识到航空技术将对人类的未来产生巨大影响。
因此，一些国家不惜投入大量人力物力，对航空技术进行探索和开发。
这期间有无数航空先驱者不惜牺牲自己的生命换来了一个又一个技术进步，使航空技术纪录一再打破，才形成了今天的航空技术水平。
在整个航空技术发展中，突破“音障”是一项重大的技术进步。
第二次世界大战期间，活塞式发动机、螺旋桨飞机的速度已经发展到顶峰。
但由于技术上的需要，还要把速度再提高，因为当时的空战主要是以机炮和机枪作为空战武器，谁的速度快，谁就能抢到有利空域赢得胜利。
所以当时的飞机设计师和飞行员一再努力追求飞行速度。
美国飞行员耶格尔驾驶时速700多千米的“野马”式战斗机与德国飞机作战时，还感到速度低，所以他经常采用先把战机拉高，然后俯冲，借助重力加速度提高飞机速度的战术与敌机作战。
可是当飞机出现800千米/时的速度时，飞机便产生了失控的感觉。
飞机震动得特别厉害，难以驾驭。
后来人们认识到，当飞机速度超过800千米/时，空气会产生一种“压缩效应”。
这种效应会使机头前部的空气被压缩成密度很高的“空气墙”，使飞机难以逾越。
产生这种现象时，飞机刚好接近于音速，后来人们管这种现象叫“音障”。
很多人试图突破“音障”，但当时受技术条件限制，都没能成功。
著名的英国飞行员德哈维兰在1946年9月27日驾驶D·11·108试验飞机作飞行试验。
当飞行速度达到0.815马赫时，由于飞机产生强烈震颤造成空中解体，付出了机毁人亡的代价。
虽然经过多次试图突破“音障”都没有成功，但通过实践人们认识到“音障”形成的原因，也初步设想出突破“音障”的方法。
直到1947年美国做了一架向“音障”冲刺的试验飞机—X-1飞机。
“面积律”帮它突破“音障”
世界上第一种采用无尾三角翼布局的超音速战斗机f－102又名“三角剑”（delta dagger），它诞生于1954年，研制工作始于1945年，在研制过程中，它曾面对各种技术挑战，闯过道道技术难关，也经历了多次失败，最终成为一种实用的超音速战斗机。
它的经历从一个侧面折射出，50年代初，喷气式战斗机正朝着超音速、大型化和复杂化的方向演变。
研制xf－92a试验机第二次世界大战结束后，美国从德国缴获了一大批飞机和火箭方面的资料，其中有一部分是非常规气动力布局飞机的研究资料和报告，当中有一部分尚未发表过。
早在20世纪二三十年代，德国科学家就已开始对前掠翼、后掠翼、无尾三角翼、斜翼等非常规布局飞机的研究，美国人拿到这些研究资料就是他们的研究成果。
和这些资料一道来自美国的，还有一批飞机设计师和火箭专家，如a?利皮斯就是其中的一位。
利皮斯以研究和发展无尾三角翼飞机著称，仅1921至1945年间就进行过84种非常规布局飞行器的设计，30年代在德国滑翔研究院（dsf）工作期间设计了一系列无尾研究机。
1943年利皮斯担任维也纳航空研究院院长后，又开始进行超音速飞机的研究，他曾参加过德国第一架喷气战斗机me－163的设计。
来到美国后，参加了通用动力公司康维尔分公司的设计工作。
在这样的人才和技术的背景条件下，美国军方决定开展超音速无尾三角翼飞机的研制。
1945年，美国空军与康维尔公司签定了一项无尾三角翼战斗机的研制合同，由利皮斯主管其气动设计工作。
经过3年的研制，于1948年制成代号为xf－92a的试验机，随即进行飞行试验，取得了大量m 0.95以下的试飞数据。
mx－1179计划正当xf－92a紧张试飞的时候，一项为新型战斗机配套的火控系统研制计划也在抓紧进行。
这项代号为mx－1179的计划，旨在用较复杂的新系统去取代早期的机载雷达设备。
在第二次世界大战中，美国有少量战斗机（如p－61“黑寡妇”等）装备了机载雷达，战后的f －82、f－89、f－94等也都配备了雷达。
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突破音障
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。
涡轮喷气发动机的研制成功，冲破了活塞式发动机和螺旋桨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。