x1研究机和超音速Word文档格式.docx

1、 您如果看到不注明转载的情况， 方便的话请当场指出。空军之翼将十分感谢您的热心帮助！ 自从莱特兄弟为人类插上翅膀以来，人们一直梦想着飞得更高更快。英国人 Frank Whittle 于 1930 年申请了第一个喷气式发动机的专利，德国人 Hans Von Ohain 在不知情的情况下，于 1936 年也独立申请了自己的专利。两者的基本原理相近，但具体细节不同。Whittle 的发动机到 1941 年才在 Gloster Pioneer 上试飞，而 Ohain 的发动机在 39 年就首先在 Heinkel 178 验证机上试飞了。在第二次世界大战还在如火如荼的 1942 年，英国的迈尔斯飞机公司

2、（Miles Aircraft Co）就受命开始秘密设计 M52 超音速飞机，但由于战事紧张和国力衰竭，英国政府下令迈尔斯将所有设计数据移交给美国，贝尔飞机公司接手之后，于 1948 年成功地将 X-1 实验型飞机飞上天，在著名的试飞员 Chuck Yeager 的操控下，于 1947 年 10 月 14 日首次在平飞中突破音速。在 1948 年 10 月的试验中，M52 的 30% 比例模型也达到 M1.5，证明英国人原来的计算和设计是正确的。左：Miles M52 超音速研究机，后来首先突破音障的贝尔 X-1 用的是火箭发动机，M52 用的可是货真价实的涡喷发动机右：贝尔 X-1 火箭飞机

3、，历史上首次在平飞中突破音障的有人驾驶飞机为了最大限度地节约燃料，X-1 是用 B-29 带到空中投放后再点火飞行的，据说 X-1 的火箭发动机点火成功率不怎么样，万一点火失败，飞行员只有很短的时间决定跳伞，滑翔是不可能的右：美国历史上最著名的试飞员 Chuck Yeager，早年曾参加二战的欧洲空战，在法国上空被击落后，借道西班牙逃回英国。当时条令规定，逃回的飞行员不再到占领区上空作战，大概是担心飞行员有心理障碍，但 Yeager 直接向艾森豪威尔请求重返欧陆上空，获得特许，以后曾在一天内连续击落 5 架敌机，战争结束时总战绩 11.5 架，包括一架 Me 262。在 75 年从空军退役时，

4、官拜准将，30 年后，获国会特别推荐，于 2005 年晋升少将Chuck Yeager 和他的 X-1。按二战时就开始的老规矩，命名为 Glamorous Glennis，Glennis 那时还是女朋友，后来成为妻子。Glennis 死后 13 年，Yeager和小他 36 岁的 Victoria DAngelo 结婚，子女把后妈告上法庭，说她纯粹是为了名利，Yeager 一世英雄，到老了反而摊上这么一摊烂事右：除了从事研究性试飞外，Yeager 也是美国空军作战飞机试飞和评估的主力，在 1947-54 年期间，平均每月要飞 100 小时以上，有一个月竟然飞了 27 种不同型号的飞机Chuck

5、 Yeager 后来离开试飞员的行当，担任一线战斗机部队的中队长、联队长，在 67 年北朝鲜扣押美国情报船“普韦布洛”号事件中，负责空中行动。在 62-64 年担任试飞员学校校长期间，训练了第一批宇航员，小说和电影 The Right Stuff 就是讲的这一段。Yeager 的最后职务是驻德国拉姆斯坦茵的第 17 航空队副司令右：老家伙现在还不闲着，时不时上天遛一圈。左面的 Bob Hoover，二战中在欧洲被击落被俘，逃出集中营，偷了一架 Fw 190 战斗机自己飞回来了。右面的是 Frank Borman，双子星 7 号飞船的指令长，首次实现太空对接，后任阿波罗 8 号指令长，首次飞出地

6、球轨道，绕月飞行 人们很早就知道，推力只是实现超音速飞行的一部分。物体以接近音速飞行时，空气的性质变了。飞机飞行时，对前方空气产生压缩，形成的压力波以音速传播。在 0.8 倍音速以下的亚音速飞行时，压力波跑在飞机前面，在一定程度上起到把前方空气推开的作用。但以音速飞行时，前方的压力波“躲闪不及”，叠在一起，阻力急剧增加，阻力比亚音速时增加 3 倍，飞机就像一头撞到一堵墙上一样，这就是“音障”（sound barrier）之说的来源。然而，速度继续增加至 1.2 倍音速以上时，飞机跑到压力波前面去了，飞机的机头形成锥形激波，空气压力沿激波前锋急剧升高。激波前锋之后的压力急剧下降，到机尾压力达到负

7、压，在机尾后压力急剧恢复到常压，整个压力分布呈骤升-缓降-骤升的 N 形，所以常被称为 N 形波。由于 N 形波前锋的拖带和后缘的推动，超音速飞行的飞机所在的 N 形波中间部分的气流反而是亚音速的。激波在正好音速的时候，几乎是垂直于飞机前进方向的平面；随速度增加，激波呈越来越尖锐的锥形，速度增加，锥形的“后掠角”也增加，所以超音速飞行的阻力增加的速率随速度的增加反而下降，超音速后，速度增加一倍，阻力只增加 30-50%。这个性质只和音速或马赫数有关，不管在什么高度，飞机以相同的马赫数飞行，其经受的气动条件是等同的，而和以公里/小时计算的实际速度和高度的关系不大，所以高速飞机常用音速而不是实际速

8、度来描述。音速或马赫数随空气条件而改变，但不是单调地改变，也就是说，并不是一路上升或一路下降，而是有升有降。在海平面时，音速为 1,225.1 公里/小时。到 10,000 米高空，音速降为 1,078.3 公里/小时。但超过 20,000 米高度后，音速又随高度增高，比如，30,000 米时，音速为 1,086.2 公里/小时。但是 48,000 米以上时，音速又开始下降。音速以马赫数度量，马赫数当然就是以奥地利物理学家 Ernst Mach 命名的。说他是奥地利物理学家，捷克人可能要不满意，因为马赫出生于捷克的 Brno，后来也回到布拉格的 Charles 大学做教授，但他的学业和主要研究

9、是在奥地利完成的。捷克是当时奥匈帝国的一部分。这是马赫同学的尊容随着飞机速度的增加，飞机对前方空气压缩形成的压力波不断被压紧，在音速的时候被压到一起，阻力急剧增加。超过音速后，飞机把压力波甩到身后，阻力反而减小右：波导阻力在音速达到最高超音速飞行时，激波后的空气压力和温度急剧下降，导致水汽冷凝，形成雾化现象右：风洞里 F-14 的激波图像NASA 的 T-38 在空气中飞行时形成激波的照片音速是随高度变化的，更具体地说，是随空气温度而变化音速和高度的关系显然不是一路上升或一路下降，而是有升有降，也有不升不降的时候超音速飞行会引起强烈的涡流音速显然是一道坎，跨过去了，超音速阻力反而下降。为了减小

10、跨音速激波的影响，NASA 物理学家 Richard Whitcombe 于 55 年提出跨音速面积率，也就是飞行器在跨音速飞行时，前缘和后缘的激波不可避免，但如果飞行器沿前进轴线上的截面积急剧改变，将产生额外的激波，增加阻力。为了避免这额外的阻力，飞行器沿前进轴线的截面积应该均匀改变（或者说截面积沿前进轴线的二阶导数或曲率应该恒定），而截面的形状倒是无关紧要，这就是著名的跨音速面积率，也是超音速飞机“蜂腰”的来源。Whitcomb 在 NASA（当时还叫 NACA）的 8 英尺告诉风洞检查用面积律设计的一个飞机模型右：Whitcomb 在上课，讲解面积律左为不用面积律设计的气动外形，右为利用面积律设计的气动外形，注意其特征性的“蜂腰”YF-102 战斗机在用面积律修行之前（左）和之后（右）具有明显“蜂腰”的幻影 III 战斗机右：具有明显“蜂腰”的歼-8II 战斗机高亚音速客机的速度虽然没有超过音速，但已经进入了跨音速区的下端。波音 747 机头的“驼背”增加了前机身的截面积，也起到了面积律的作用，是波音 747 可以比一般高亚音速客机飞的更快的一个原因右：A380 和其他现代高压音速客机的中机身和机翼连接处明显的鼓包也是面积律的结果