突破“音障”的人类飞行

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  历史上的今天:1947年10月14日(美国当地时间),美国试飞员查尔斯·耶格尔驾驶贝尔X—1型飞机,实现人类第一次超音速飞行。
  “二战”烽火呼唤超音速
  第二次世界大战的空中搏杀,催动了各个参战国在飞机速度记录方面的新一轮竞赛。到战争后期,一些优秀的战斗机的最大平飞速度已经达到每小时750公里,而这也接近了以活塞式发动机和螺旋桨驱动的飞机的极限。
  此时,一些试图以俯冲来获得更大速度的飞行员发现,他们很可能会在高速飞行中撞上一堵“无形的墙”,使飞机失控甚至坠毁。这种现象后来被称为“音障”,它出现的原因,就是接近音速的飞机已经快要追上自己发出的声波。声波叠加累积的效果,会使飞机前方局部气流的速度达到音速,产生局部激波,带来巨大的阻力。激波还会使流经机翼和机身表面的气流变得非常紊乱,使飞机难以控制。如果想要让飞机突破“音障”,无疑需要更强劲的动力,但活塞式发动机和螺旋桨已经不可能完成这个任务。高速旋转的螺旋桨,其尖端的速度已经超过了音速,从而使螺旋桨的效率急剧下降,让飞机动力不足。
  很显然,突破“音障”的任务只能交给喷气式飞机来完成。事实上,早在1941年,德国就试图将Me163打造成一种超音速喷气式战斗机。这种“矮胖”的小飞机使用了在当年属于高科技的火箭发动机,风洞试验也表明它具有超音速飞行的“潜质”,但机体结构的局限使它同样遇到了“音障”问题。此后,日益紧迫的战局,以及火箭发动机惊人的燃料消耗,使德国放弃了超音速计划。一些未经证实的资料显示,Me163曾经在俯冲时短暂地超越音速,但代价是飞机几乎无法操纵。对于续航能力只有大约8分钟的Me163来说,这样的“超音速”并没有什么价值。
  面对德国研制成功Me163和另一种喷气式战斗机Me262,并将它们投入实战的局面,盟军各国也积极进行喷气式战斗机的研究,其中也包括超音速项目。1943年,盟军阵营中喷气机技术最好的英国开始研制喷气式超音速试验机,但在同一年,一些使用活塞式发动机的飞机因为“音障”导致坠机,使英国得出了“超音速飞行太危险”的结论,并停止了相关研究。
  X—1突破“音障”
  第二次世界大战结束之后,德国的航空技术资料被美、英、苏等国瓜分,并与这些国家战时的科研成果结合起来。丰富的参考资料,让实现超音速飞行变得触手可及。1947年,突破“音障”的桂冠就被美国的X—1试验机摘得。
  由美国贝尔公司建造的X—1,是世界上第一种纯粹为了试验目的而设计制造的飞机。它又被称作XS—1,这个编号,取自英语“试验超音速(Experimental Supersonic)”的缩写。为了实现突破“音障”的目标,X—1在机体设计上下了很多工夫:它的机身最大限度地模仿了12.7毫米航空机枪的子弹,因为在当年的天空中,这是为数不多的能以超音速飞行的物体;它的机翼虽然还是和活塞式发动机飞机相似的平直翼,却尽可能减小翼面厚度,以降低“音障”对飞机的影响。X—1使用了一种有4个燃烧室的火箭发动机以提供足够的推力,但这也使它的续航能力只有大约5分钟,因此必须由B—29轰炸机改装的母机带到空中,再脱离母机独自飞行,燃料耗尽后滑翔降落。
  在1946年和1947年里,通体橘红色的X—1进行了数十次试飞,按照循序渐进的原则逐渐逼近“音障”,以避免机毁人亡的危险。可是到了1947年10月14日,担任试飞员的查尔斯·耶格尔再也等不及了。这或许是因为他在12日夜间纵马狂奔取乐时,撞在木栏上摔断了2根肋骨,故而担心失去重返蓝天的机会。
  按照原定计划,耶格尔在14日只要飞到0.97马赫,也就是当地音速的0.97倍就算完成任务;但这天当地时间早上8点,他坐进X—1的驾驶舱之后,便自作主张冲击“音障”。由于肋骨受伤,他甚至无力关上X—1的舱门,只得由B—29上的同事协助。X—1在大约6000米高度脱离母机,并迅速爬升到13000米的高空。此时,地面上听到远方传来了雷声一般的巨响,实际上这是X—1突破“音障”时产生的音爆。这一次超音速飞行只持续了20秒,最高速度达到1.06马赫,大约相当于每小时1120公里。但就是这20秒,让人类航空史翻开了新的一页。
  超音速飞行大展宏图
  成功突破“音障”之后,人们很快发现“音障”只有一道。也就是说,只要实现超音速,那么以1.5马赫或者2马赫飞行也不再是难题。到20世纪50年代中期,战斗机已经步入了2马赫时代。但在人类向3马赫挑战时,高速飞行摩擦生热导致的机体强度下降,也就是所谓“热障”问题开始显现出来。
  为此,美国使用钛合金来制造SR—71侦察机和XB—70轰炸机,使它们具备克服“热障”,突破3马赫的能力;钛合金加工技术比较落后的苏联,则使用不锈钢制成米格—25战斗机作为应对。但这样的高速度不仅成本过于高昂,而且在战争中并不实用。因此,在战斗机领域,保证2马赫的速度,而且突出机动性能的机型最终成为主流,并且向着追求超音速巡航,也就是连续超音速飞行半小时以上的方向发展。而3马赫的轰炸机和侦察机,则分别被导弹和卫星所取代。
  超音速带来的狂热也蔓延到民用客机领域。20世纪60年代末,英法合作的“协和”和苏联的图—144相继开始研制,并在70年代中期投入商业运营。但巨大的噪音和燃料消耗,使这些超音速客机都在商业上遭遇惨败。美国波音公司见势不妙,也将研制中的波音SST超音速客机下马。但直到今天,在航空工业较为发达的美国和西欧,依然不时会响起研制更经济的新一代超音速客机的呼声。
  至于亲自开启了人类超音速时代的耶格尔,则在1997年10月14日,也就是自己首次超音速飞行50年后,在爱德华空军基地做了最后一次超音速飞行。这一天,74岁的他驾驶着当时美国空军最先进的F—15D战斗机向蓝天告别。第二天,在美国的黑石沙漠里,由英国人制造的“突击”号超音速汽车(Thrust SSC),由安迪·格林驾驶,在陆地上首次突破“音障”。人类向超音速冲击的历史,又翻开了新的一章。
  自从驯服牲畜、发明车轮以来,人类就在寻找更快捷的前往远方的方法。进入蒸汽时代之后,追求速度的进程被大大加快。突破“音障”则又是一个重要的里程碑,凭借机械的力量,人类的行进速度不仅超过了鸟兽,甚至连声音都无法企及。
  据说,每当“协和”号客机在大西洋上空加速到2马赫的时候,机舱里都会响起一阵热烈的掌声。“协和”号的乘客大多是来自上流社会的显贵,他们不仅衣食无忧,对穿洲越洋也早就习以为常;能让他们感到敬畏的,或许唯有科技的力量。
  将超音速比作技术时代的图腾,可以说并不过分。“协和”号离开了蓝天,却把超音速旅行的美好记忆永留人间;在千千万万的人向往超音速飞行的背后,是在现代社会中似乎褪色,其实却早已深入人类骨髓的冒险精神。
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