飛機(jī)是如何超音速的

解白

很多記錄都是在軍事研究中被突破的，飛機(jī)的速度也一樣。第二次世界大戰(zhàn)期間，德軍戰(zhàn)斗機(jī)一看見(jiàn)美軍的“野馬”戰(zhàn)斗機(jī)就扭頭溜走。美軍決心讓他們永遠(yuǎn)溜不走，想要追上他們，就必須要突破當(dāng)時(shí)飛機(jī)制造的一個(gè)無(wú)人逾越的難題——“音障”。

“音障”是對(duì)飛行器嘗試跨越音速飛行遇到困難的稱呼。想要讓飛機(jī)突破音障，超越音速并非易事，而且十分危險(xiǎn)。測(cè)試空中速度時(shí)往往會(huì)以馬赫為單位，1馬赫等于1倍音速。當(dāng)飛機(jī)試圖接近1馬赫時(shí)會(huì)出現(xiàn)奇怪的狀況：飛行器追上了自己發(fā)出的聲波，而高速的機(jī)身對(duì)空氣的壓縮沒(méi)有辦法更快地傳播出去，就會(huì)導(dǎo)致壓縮的空氣在飛機(jī)的迎風(fēng)面和附近積累，最終形成一個(gè)空氣的突變面，在這個(gè)突變面上，壓強(qiáng)、溫度、速度、密度都發(fā)生了巨大的改變，我們又稱為激波或者震波。激波的形成是超音速飛行的典型特征，它將增加空氣對(duì)飛行器的阻力，這也是“音障”一詞的由來(lái)：音速對(duì)飛機(jī)提升速度造成的障礙。

早期的飛機(jī)設(shè)計(jì)師并沒(méi)有考慮到這個(gè)問(wèn)題，他們給飛機(jī)上了大量的燃料，試圖強(qiáng)行超越音速。這些普通的、沒(méi)有特別防御裝置的飛機(jī)加速到接近1馬赫時(shí)，前方的壓力累積，導(dǎo)致飛機(jī)像撞上了一道堅(jiān)硬的墻，這種高速的撞擊很可能導(dǎo)致飛機(jī)解體隕落。

1947年6月，加利福尼亞州的空軍基地簽收了一架非常特別的試驗(yàn)機(jī)，貝爾X-S1。字母“X”代表未知的試驗(yàn)，字母“S”代表超音速。這架飛機(jī)的研究資金高達(dá)600萬(wàn)美元，對(duì)外高度保密。橘色機(jī)身呈子彈形狀，有四枚綽號(hào)為“黑色貝特西”的火箭推動(dòng)。

貝爾X-S1的機(jī)翼具有鋒利的前緣，以便于在接近音速時(shí)突破音障，這種機(jī)翼有一個(gè)綽號(hào)，稱為“吉列機(jī)翼”，意指它能鋒利地劃開(kāi)空氣墻。貝爾X-S1很快就被改名為X-1，因?yàn)樵囼?yàn)的高級(jí)官員不想讓外界得知挑戰(zhàn)超音速的事實(shí)。他們開(kāi)始尋找志愿者試飛X-1，最終選定了23歲的查爾斯·葉格爾。

葉格爾和作為候補(bǔ)的胡佛只有上尉軍銜，誰(shuí)都不看好他們。但是，軍銜并不能代表一切，年輕的葉格爾和胡佛對(duì)飛機(jī)表現(xiàn)出了驚人的控制力，他們都是二戰(zhàn)的一線飛行員，對(duì)飛機(jī)的構(gòu)造了如指掌。兩個(gè)年輕人閱讀完列出試驗(yàn)危險(xiǎn)的知情同意書(shū)，義無(wú)反顧地簽上了自己的名字。

X-1不具備起飛能力，而是由一架改裝過(guò)的轟炸機(jī)吊著它飛到空中。到達(dá)預(yù)定高度后，葉格爾必須在凜凜寒風(fēng)的高空中爬下轟炸機(jī)，滑進(jìn)X-1的駕駛座艙。

X-1脫離轟炸機(jī)之后，將點(diǎn)火，利用火箭進(jìn)行推動(dòng)?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料是酒精和液氮，這是一種極其易爆的燃料，以至于在X-1攜帶燃料試飛時(shí)，整個(gè)基地都要關(guān)閉。萬(wàn)一發(fā)生爆炸，葉格爾將與大威力的爆炸來(lái)個(gè)零距離接觸。他不可能跳傘逃生，因?yàn)榫退闼晒鸟{駛艙的艙門跳出，也會(huì)瞬間被剃刀般鋒利的機(jī)翼截成兩段。

葉格爾一次又一次地試飛。開(kāi)始的時(shí)候他只點(diǎn)燃了兩枚火箭，飛機(jī)的速度已經(jīng)達(dá)到了0.7馬赫。第六次試飛時(shí)速度達(dá)到了0.86馬赫，飛機(jī)在高壓的空氣之中顛簸著穿行，震顫得就像一輛老爺車行駛在一條鋪滿了鵝卵石的小道上，操作裝置變得遲鈍。第七次試飛的結(jié)果更加不妙，到了0.94馬赫時(shí)，手控制器徹底失效。設(shè)計(jì)師只好安裝了一個(gè)獨(dú)立于手控制器的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠使飛機(jī)橫尾翼改變構(gòu)造，從而提升或者下降機(jī)頭。這一招見(jiàn)效了，飛機(jī)速度順利地達(dá)到了0.988馬赫。

但新的問(wèn)題出現(xiàn)了：風(fēng)擋玻璃上結(jié)了霜。葉格爾看不見(jiàn)導(dǎo)航儀表上指導(dǎo)返航的信號(hào)，無(wú)法判斷如何著陸。最后，是胡佛開(kāi)著一架護(hù)航飛機(jī)，在旁邊指揮，他才成功落地。后來(lái)，這兩個(gè)小伙子用洗發(fā)水擦拭風(fēng)擋，解決了這個(gè)問(wèn)題。

1947年10月，葉格爾點(diǎn)燃了四只火箭。他看見(jiàn)速度計(jì)的指針已經(jīng)跳出量程，剎那間，他眼前一黑，耳聽(tīng)見(jiàn)一聲巨響。觀察人員甚至以為葉格爾失蹤了，因?yàn)樗呀?jīng)飛到了1.07馬赫的速度。實(shí)際上，那一聲就是突破音障時(shí)的第一聲音爆。在突破音障時(shí)，伴隨的一個(gè)奇特現(xiàn)象便是“音爆云”，這是由于在激波面后方由于氣壓降低而引起溫度降低，水汽凝結(jié)形成微小的水珠，看上去就像云霧一般。這種云霧通常只能持續(xù)幾秒鐘，激波現(xiàn)身，轉(zhuǎn)瞬即逝。

這一次的試飛是人類史上一次偉大的突破，不過(guò)葉格爾的工作并未完成。單純超越音障是不夠的，超音速飛機(jī)的研制需要更多經(jīng)驗(yàn)，尤其是針對(duì)飛行員如何從一輛失控的飛機(jī)中逃脫。飛機(jī)的時(shí)速一旦達(dá)到800千米，出于慣性，飛行員根本不可能從座艙里爬出來(lái)。飛機(jī)公司制造了彈射椅，利用炸藥爆破座艙罩，同時(shí)將飛行員連同座椅一并彈出。

但是飛行員被彈出飛機(jī)之后問(wèn)題還沒(méi)完。飛行員高空跳傘時(shí)的頭一分鐘會(huì)因?yàn)槿毖醵ヒ庾R(shí)，無(wú)法拉動(dòng)牽拉索，打開(kāi)降落傘。設(shè)計(jì)師羅夫萊斯又給飛行員添置了氧氣裝置。為了驗(yàn)證他設(shè)計(jì)的效果，他從12200米的高空跳了下去，那是他第一次跳傘。

按照羅夫萊斯的猜想，驟然打開(kāi)降落傘的時(shí)候會(huì)有-4g的加速度，結(jié)果他打開(kāi)降落傘的時(shí)候，瞬間減速的加速度達(dá)到了-33g。他的體重驟增32倍，使他昏厥過(guò)去。在凍得睜不開(kāi)眼睛的高空，他的手套飛掉了，這令他立即生出了凍瘡。不過(guò)幸好，他忍受住了，僅在落地的時(shí)候扭傷了背部。

這就是突破“音障”的全程。也許我們認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域非常高深，但實(shí)際上，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程并不復(fù)雜，早期的設(shè)計(jì)師和工程師們?cè)诤翢o(wú)前車之鑒的條件下，一點(diǎn)一點(diǎn)大膽摸索，才獲得最后震驚世人的成果。

編輯/楊明珠