[科普中国]-超音速飞行

相关概念音速

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。

音速：是温度的函数，15摄氏度时的音速约为每秒钟340米。马赫：超高速单位，物体运动的速度与音速的比值为马赫或马赫数。亚音速：速度小于1马赫。超音速：速度在1至5马赫间。高超音速：速度在5马赫以上。

推力的产生超音速飞机采用的是超音速燃烧冲压发动机，它类属于冲压发动机。冲压发动机的原理由法国人雷恩?洛兰于1913年提出，1939年首次被德国用于V－1飞弹上。冲压发动机由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成，它比涡轮喷气发动机简单得多。冲压是利用迎面气流进入发动机后减速、提高静压的过程。该过程不需要高速旋转的、复杂的压气机。高速气流经扩张减速，气压和温度升高后，进入燃烧室与燃油混合燃烧，温度为2000—2200℃，甚至更高，经膨胀加速，由喷口高速排出，产生推力。

冲压喷气发动机目前分为亚音速、超音速、超音速燃烧（或高超音速）三类。亚音速冲压发动机以航空煤油为燃料，采用扩散形进气道和收敛形喷管，飞行时增压比不超过1.89。速度在小于0.5马赫时一般无法工作。超音速冲压发动机采用超音速进气道，燃烧室入口为亚音速气流，采用收敛形或收敛扩散形喷管。用航空煤油或烃类作为燃料。推进速度为2至5马赫，可用于超音速靶机和地对空导弹。超音速燃烧（高超音速）发动机是一种使用碳氢燃料或液氢燃料新颖的发动机，空气在发动机内的流速始终保持为超音速，飞行速度高达5至16马赫。

超音速燃烧发动机同涡扇喷气发动机存在不同。其实，它也有别于火箭发动机。虽然，多级火箭的速度极高，可达20多马赫，但是它携带着全部的燃料，因而在相同体积的情况下，其有效负载低于安装有超音速燃烧冲压发动机的飞行器。

发展历史人类首次超声速飞行是1947年美国用X-1飞机实现的。现代的军用机大多在这个速度区内飞行。这时波阻成为阻力的主要部分。因此把翼面做成平滑、薄而短的后掠形或三角形，机身做成尖头细长形。超声速飞行的特点是：气动中心后移，纵向静稳定性增大；飞机阻尼随马赫数增大而减小。二者都导致飞机扰动衰减缓慢，操纵性变坏，航向稳定性差，故需加大垂直尾翼面积或采用自动化装置。高速飞行导致的气动加热在飞行马赫数小于2.5时，铝合金强度尚可维持。马赫数达3.0后，气动加热加剧，须采用耐热材料。为防止声爆和噪声危害，许多国家禁止在居民区上空作超声速飞行。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，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1078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。1

超音速飞机首架超音速客机——1962年11月29日法国与英国签署协议，共同制造超音速客机“协和”

——1963年1月13日戴高乐将军建议，把这种超音速飞机命名为“协和”

——1969年3月2日“协和001”在法国的图卢兹进行首次试飞 、

——1971年5月25日“协和001”在巴黎和达喀尔之间完成了其第一次国际试飞

——1976年1月21日“协和”进行第一次商业飞行，法航的航线是巴黎—达喀尔—里约热内卢，英航的航线是伦敦—巴林

——1977年10月17日法航开辟巴黎、纽约之间每天一班的“跨大西洋航线”

——1980年10月至1982年4月两家航空公司先后在巴林、新加坡、里约热内卢、华盛顿、墨西哥等航线上取消“协和”飞机运营

——1992年10月12日一架法航的“协和”飞机以33小时零1分钟完成自东向西方向的环球飞行，并创下民用飞机此类航行的记录

——1998年10月8日一架往返于伦敦、纽约之间的英航飞机的导向系统零件脱落，但飞机安全着陆

——2000年7月25日一架法航的“协和”飞机在巴黎戴高乐机场附近坠毁，导致113人死亡，法航立即停止其所有“协和”飞机的飞行

——2000年8月4日-10日法国有关方面对飞机失事进行调查后认定，飞机轮胎发生爆炸、碎片刺破油箱是导致飞机爆炸失事的主要原因

——2000年8月15日英航停飞其所有“协和”飞机

——2001年11月7日、9日法航和英航分别开始恢复“协和”飞机的商业运营 、

——2002年11月5日一架法航的“协和”飞机从纽约飞往巴黎，在大西洋上空1台发动机突然发生故障，在其他3台发动机依然正常运转的情况下，飞机安全抵达戴高乐机场

——2003年4月10日法航和英航宣布停止“协和”飞机的商业运营

——2003年5月31日法航的“协和”飞机完成最后一班飞行(纽约-巴黎)

——2003年10月24日英航的协和飞机完成最后一班飞行(纽约—伦敦)2

中国2009年6月，由中国自主研发的新一代超音速教练机“猎鹰03”号，在南昌首飞成功。“猎鹰03”是一种融合了多项最新航空技术的新一代超音速教练机，它具有第三代战斗机的大迎角机动飞行能力和高敏捷性，可用于飞行学员的基础改装训练或作为伴随教练机进行战术训练。

在江西省南昌市洪都集团的试飞场，由中国自主研发的目前最先进的高级教练机猎鹰03号腾空而起，在经历了16分钟的航线飞行和低空通场后，猎鹰03号稳稳地降落在跑道上，各项指标均达到设计要求。首飞完成后，试飞团队将展开多科目的拓展性飞行工作，尽早实现猎鹰03号的量产。

对于教练机来说，座在后舱较高的位置是飞行教官，而前舱是学员。这也是教练机不同于其他飞机的一个特殊的地方。

猎鹰03号最大的不同，在于它的外型。猎鹰教练机总设计师张弘介绍称，主要是采用第三代机的气动布局，大的边条翼，翼身融合，配合翼下的进气道，使得这个飞机的机动能力非常强，可以快速地改变机头指向3.

一般来说，人们会用机动性这个词来衡量一架飞机性能的优劣，决定这个性能很重要的装置就是发动机，猎鹰03号有两台发动机，而且这些发动机都是靠计算机来控制的。飞行员拉油门杆的动作，出来的是电信号，通过计算机结合各种参数，向发动机发出控制指令，为飞机提供时实的充沛的动力，国内的教练机上是首次使用。4

美国据传，美国军方正在秘密研制一种新型的飞机发动机技术，这种技术以二战时德国的V-1导弹为原型。这种采用脉动式喷气发动机的新型飞机已经在美国犹它州的上空进行了试飞。专家们作出这一判断的根据：天空中形成的一种神秘冷凝尾迹。

居住在美国犹它州瓦斯特山区的工程师辛格利亚几乎不能相信自己的眼睛：在蓝蓝的天空中突然出现了飞机飞过后的冷凝尾迹，这种尾迹并不呈直线状，而是像是用一个绳子

串起来的数个像油炸圈饼一样的圆环。辛格利亚立即跑到阁楼，抓起相机拍下了这个神秘的冷凝尾迹。他说：“这些白色圆环状的冷凝尾迹非常清楚，是刚刚形成的。”

这一天是2004年3月21日。居住在山区的辛格利亚从来没有见到这么神秘的景象。专家称，他可能目击到装备脉动式喷气发动机的绝密超音速飞机在飞行时所出现的冷凝尾迹。美国空军可能正在秘密研究这种绝密的超音速飞机，但有可能是中央情报局在研制这种飞机。

十二年前，有人曾在洛杉矶看到过这种神秘的冷凝尾迹，而且还伴随有巨大的响声，整个市区和大部分南加州地区都能听到这个巨大的响声。它的声波是如此的大以致于地震监测中心都能收到。人们还在科罗拉罗州和德克萨斯州看见到这种神秘的冷凝尾迹。专家称，这种神秘的冷凝尾迹是一种新型的发动机所留下的，这种“脉冲爆震波”发动机技术是以二战时期德国的V-1导弹为基础的，它依靠汽体混合物的爆震波来压缩燃料氧化混合物，使混合物燃烧后推动飞机加速。这样的发动机技术就会产生辛格利亚在犹他州所见到的那种一系列的圆环状的飞行冷凝尾迹。著名的美国航空专业杂志《航空周刊和宇航技术》在一篇名为“脉冲式喷气发动机又回来了？”文章中引用了辛格利亚所拍摄的照片。辛格利亚说那些研究这种先进发动机技术的人给他留下了深刻印象，他对目击到神秘的飞行冷凝尾迹的评论是：“他们的工作干得非常棒。”

目击者都称，这种脉动式喷气发动机的速度非常惊人。美国专家称，这种飞机的速度可达六倍音速。英国武器专家斯威特尼说，这种飞机的速度也许能达到八倍音速。美国宇航局所研制的X-43A在不久前就曾创造了七倍音速的最高飞行速度，不过这是在加利福尼亚海岸公开进行的，X-43A以超音速燃烧冲压式喷气发动机为推动装置，由美国东岸至西岸只需半小时的飞行时间。一架B-52型轰炸机先把配组有“飞马”助推火箭的X-43A载到7200米的高空，然后释放。接着，“飞马”助推火箭把X-43A推进到7马赫速度后脱落，X-43A再点燃自身的发动机，飞行10秒、大约27公里，然后坠入太平洋。超音速燃烧冲压式喷气发动机与脉动式喷气发动机工作模式相近，只是冲压喷气发动机自身没有发动部件，需要火箭的起始推力来达到超音速推力状态。

英国武器专家斯威特尼说，这种新研制的装备脉冲式喷气发动机的间谍飞机可能将取代SR-71“黑鸟”间谍飞机，目前美国有三架SR-71“黑鸟”间谍。这种新型的、超音速的间谍飞机很符合美国国防部的需求，由于间谍卫星无法对处于黑夜的地球部分地区实施侦察，这种新型侦察飞机将能弥补这一缺隙。有专家称，这种新型间谍飞机可能就是传闻中的“曙光女神”，它能以六倍的音速的速度飞行，预计将取代u-2和SR-71间谍飞机。

这种装备脉冲式喷气发动机的间谍飞机在犹他州上空现身也是有充分理由的：在邻近的内华达州的沙漠里有美国空军的一个绝密基地：51区。51区的格鲁姆湖实验场拥有一条长达九公里的跑道，是美国最长的普通跑道的两倍，这样长的跑道非常适合装备脉动式喷气发动机的飞机的实验。5

超音速飞行第一人美国费利克斯·鲍姆加特纳

当地时间3月15日，美国罗斯威尔，高空极限跳伞运动员、奥地利“跳伞狂人”费利克斯·鲍姆加特纳从距离地面21800米高空跳下并安全着陆。据介绍，这是今年8月份超高空极限跳伞前的热身，届时他将从3.7万米的高空跳下，进入超音速飞行状态。

按计划，鲍姆加特纳将爬进8英尺的“太空梭”，乘坐充满氦气的气球上升至3.7万米的超高空，然后一跃而下，直到跌至约1500米才打开降落伞。从跳伞到抵达地面仅需10分钟，预计其中的35秒钟将处于超音速飞行状态。如果成功，他将仅仅依靠重力加速度打破音障，成为第一个真正意义上超音速飞行的人类。

超越音速的危险在整个“自由落体”过程中，最大的危险是鲍姆加特纳要防止在超音速俯冲过程中出现旋转晕厥。现人类最高跳伞纪录保持者乔·奇廷尔在1960年成功从10.2万英尺(约3.1万米)高空跳下。当年，他在高空急速下降的过程中，就出现了眩晕现象，他甚至失去了意识和知觉，没能打开降落伞。幸好，自动开伞装置及时启动，救了他一命。因为这种“亡命”的危险，50年过去，很少有人敢尝试和挑战这个高度。

如果鲍姆加特纳今年成功，他将打破四个世界纪录：最高海拔的自由落体飞行、载人气球飞行的最大高度、最长距离的自由落体飞行以及最快达超音速的人体飞行。

他的超级装备要完成一个突破人类极限的壮举，鲍姆加特纳需要强有力的装备支持——那些贵重又稀奇的高科技。

“超音速头盔”

特制的“超音速头盔”能保护他的头部，在超越音速的下降中，不会受到太大的压力冲击，以防止他晕厥。此外，头盔还配有遮挡太阳的功能，以帮助他保持清晰的视觉。

“宇航服”

他的跳伞服类似于宇航员的宇航服，但比宇航服更轻盈，活动更自由。这套装备具有增压功能。因为在高空下降中，大气压力会迅速下降，液体的沸点也会急速下降，如果没有保护，他的血液就会在低压下“沸腾”。此外，里面还将提供大约维持20分钟的氧气，这套衣服还要抵御下降过程中零下70℃的低温。

飞行器

鲍姆加特纳挑战的高度，已经超越了一般民航飞机飞行高度的3至6倍，因此，他乘坐的飞行器已经类似于宇航飞船一样的升空舱，这个大家伙重约1.13吨，在一直径达182米的氦气球的牵引下，上升至海拔3.65万米的平流层，随后打开舱门后由一个弹射器将他弹出。6

主要特点超音速飞行的特点是：

1.气动中心后移，纵向静稳定性增大；

2.飞机阻尼随马赫数增大而减小。

二者都导致飞机扰动衰减缓慢，操纵性变坏（见扰动运动模态），高空中尤甚。故驾驶动作应柔和，杆、舵要协调。由于水平尾翼、垂直尾翼效率降低，铰链力矩剧增，且变化规律复杂，需用全动水平尾翼和不可逆助力器。尾翼效率的降低使飞机的航向稳定性和横向稳定性（见飞行器动态特性）都随马赫数的增加而下降。特别是高空飞行，航向稳定性更差，故需加大垂直尾翼面积或采用自动化装置或限制飞行马赫数。因高空空气稀薄，大气温度低，使飞行速度范围小，加速慢和爬升率降低。当高度剧变时，高度表和速度表指示将产生较大的延迟误差，真速和表速指示值差别加大。

应用设备冲压喷气发动机

音速：是温度的函数，20摄氏度时的音速约为每秒钟340米。马赫：超高速单位，物体运动的速度与音速的比值为马赫或马赫数。亚音速：速度小于1马赫。超音速：速度在1至5马赫间。高超音速：速度在5马赫以上。

高超音速飞机采用的是超音速燃烧冲压发动机，它类属于冲压发动机。冲压发动机的原理由法国人雷恩?洛兰于1913年提出，1939年首次被德国用于V－1飞弹上。冲压发动机由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成，它比涡轮喷气发动机简单得多。冲压是利用迎面气流进入发动机后减速、提高静压的过程。该过程不需要高速旋转的、复杂的压气机。高速气流经扩张减速，气压和温度升高后，进入燃烧室与燃油混合燃烧，温度为2000—2200℃，甚至更高，经膨胀加速，由喷口高速排出，产生推力。

冲压喷气发动机目前分为亚音速、超音速、超音速燃烧（或高超音速）三类。亚音速冲压发动机以航空煤油为燃料，采用扩散形进气道和收敛形喷管，飞行时增压比不超过1.89。速度在小于0.5马赫时一般无法工作。超音速冲压发动机采用超音速进气道，燃烧室入口为亚音速气流，采用收敛形或收敛扩散形喷管。用航空煤油或烃类作为燃料。推进速度为2至5马赫，可用于超音速靶机和地对空导弹。超音速燃烧（高超音速）发动机是一种使用碳氢燃料或液氢燃料新颖的发动机，空气在发动机内的流速始终保持为超音速，飞行速度高达5至16马赫。

设备区别今天喷气式飞机使用的最普通的喷气发动机是涡扇喷气发动机。带有外涵道的喷气发动机的早期设计出现在20世纪30年代。40和50年代，人们对早期的涡扇发动机进行了试验。然而，由于对风扇叶片设计制造的要求非常高，因此直到60年代，人们才得以制造出符合涡扇发动机要求的风扇叶片，从而揭开了涡扇发动机实用化的阶段。涡扇喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，发动机利用气压机先对进入发动机的空气进行压缩，压缩的空气和燃料混合并被点燃，随后气体爆炸推动飞机前进，后面的涡扇和前面的压缩机处在同一根轴承上。

超音速燃烧发动机同涡扇喷气发动机存在不同。其实，它也有别于火箭发动机。虽然，多级火箭的速度极高，可达20多马赫，但是它携带着全部的燃料，因而在相同体积的情况下，其有效负载低于安装有超音速燃烧冲压发动机的飞行器。