音障

人們在實踐中發現，在飛行速度達到音速的十分之九，即馬赫數M0.9空中時速約950公里時，局部氣流的速度可能就達到音速，產生局部激波，從而使氣動阻力劇增。要進一步提高速度，就需要發動機有更大的推力。更嚴重的是，激波能使流經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。這些討厭的症狀，都可能導致飛機墜毀。這就是所謂“音障”問題。由於聲波的傳遞速度是有限的，移動中的聲源便可追上自己發出的聲波。當物體速度增加到與音速相同時，聲波開始在物體前面堆積。如果這個物體有足夠的加速度，便能突破這個不穩定的聲波屏障，衝到聲音的前面去，也就是衝破音障。

一個以超音速前進的物體，會持續在其前方產生穩定的壓力波(弓形震波)。當物體朝觀察者前進時，觀察者不會聽到聲音；物體通過後，所產生的波(馬赫波)朝向地面傳來，波間的壓力差會形成可聽見的效應，也就是音爆。

當飛機的飛行速度比音速低時，同飛機接觸的空氣好像“通信員”似的，以傳遞聲音的速度向前“通知”前面即將遭遇飛機的空氣，使它們“讓路”。但當飛機的速度超過音速時，飛機前面的空氣因來不及躲避而被緊密地壓縮在一起，堆聚成一層薄薄的波面——激波，激波後面，空氣因被壓縮，使壓強突然升高，阻止了飛機的進一步加速，並可能使機翼和尾翼劇烈振顫而發生爆炸。

而音障不單單僅有聲波，還有來自空氣的阻力，當飛行物體要接近1馬赫（聲速單位）飛行時，前方急速衝來的空氣不能夠像平常一樣通過機身擴散開，於是氣體都堆積到了飛行體的周圍，產生極大的壓力，也會引發出一種看不見的空氣旋渦，俗稱“死亡漩渦”，這也被叫做音障，如果機身不作特殊加固處理，那麼將會被瞬間搖成碎片。

聲障一詞最早出現於20世紀40年代初期。第二次世界大戰中，戰鬥機的設計已經相當成熟，雖然還沿用直機翼，但暴露在機外的零件已經很少，飛機外形十分“乾淨”。當時單台發動機的動力已超過一千馬力（1馬力=735.499瓦），飛機的平飛速度已達聲速的一半；俯衝時，可以超過聲速的0.7倍。正是在後一情況下發現飛機有自發栽頭和尾翼強烈抖振現象，使整個飛機有破碎的危險。後來發現，自發栽頭是由於翼面附近出現相當大的超聲速區，翼面上吸力區（氣壓低於大氣壓的區域，也稱負壓區）大大地向後擴展，壓力中心顯著後移，從而產生很大的低頭力矩造成的。翼面上的局部超聲速區是以激波為後界的，而激波又引起翼面上的邊界層分離；分離流很不穩定，打到尾翼處就會引起尾翼抖振。同時這還使飛機的阻力隨馬赫數的微小上升而急劇增大，因而人們認為聲速是飛行速度進一步提高的不可逾越的障礙。隨着飛機外形設計的不斷改進（如改用展弦比較小和翼剖面更薄的後掠機翼），推力更大的噴氣發動機的製成，聲障也就成為一個歷史名詞。

物體與流體發生相對運動時，會對流體產生擾動。

下面，以飛機與大氣的擾動為例，當飛機引起大氣的擾動之後，這個擾動將以波的形式向空間傳播。理想的形式為球面波。但根據相對運動原理，在1時刻飛機在地點1引起球面波1，之後飛機以v的速度前行，球面波以u的速度擴散，在2時刻飛機在地點2引起球面波2，兩者速度不變。如此積累，因為飛機始終在向前，則若干波的疊加後形狀。

以上是飛機勻速飛行的情況，若飛機加速，則情況更加明顯。 如果飛機速度沒有超音速，即v<u，則波始終在飛機之前。但當v=u時，則飛機與波開始保持靜止。飛機繼續加速，v>u時，第一次引起的擾動波將與以後引起的擾動波疊加，並始終處於飛機前部不遠處。這個不斷疊加的波就是我們通常所謂的激波了。

音障現象是一個統計結果。

如果僅僅是因為在音速附近，所以出現音障現象，那麼飛機整體均應出現音障現象，因為飛機整體是一個速度。如果説音障造成了液化，那麼整個飛機都應在液化環境中。所以用音障來介紹飛機周圍的液化現象是不合適的。儘管在音速的時候出現了空氣液化的情況，液化應該從其自身的產生條件來考慮。當濕度大的空氣受到壓縮時，空氣中的水就會液化。當飛機速度很高的時候，將在迎風面形成高壓，高壓下空氣中水汽沸點升高，就會出現液化現象。這也可以解釋為什麼飛機後半部分沒有霧的現象。因為飛機後部壓力低，甚至出現負壓，即使前方的水顆粒進入該區域，也會汽化而看不出來。

關於飛機周圍壓力變化，可以看做飛機不動，空氣吹飛機，迎風面會出現高壓，背部負壓，這在流體力學裏面是有結果的。

第二次世界大戰後期，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，就會碰到所謂“音障”問題。

聲音在空氣中傳播的速度，由於受空氣温度的影響，數值是有變化的。而大氣温度會隨着高度而變化，因此不同飛行高度下音速也不同。在國際標準大氣情況下，海平面音速為每小時1227.6公里，在11000米的高空，是每小時1065.6公里。時速700多公里的飛機，迎面氣流在流過機體表面的時候，由於表面各處的形狀不同，局部時速可能遠超出700公里。這種“音障”，曾使高速戰鬥機飛行員們深感迷惑。因為每當他們的飛機飛行速度接近音速時，飛機操縱上都會產生奇特的反應，處置不當就會機毀人亡。第二次世界大戰後期，英國的噴火式戰鬥機和美國的“雷電”式戰鬥機，在接近音速的高速飛行時，最早感覺到空氣的壓縮性效應。也就是説，在高速飛行的飛機前部，由於局部激波的產生，空氣受到壓縮，阻力急劇增加。“噴火”式飛機用最大功率俯衝時，速度可達音速的十分之九。這樣快的速度，已足以使飛機感受到空氣的壓縮效應。為了更好地表達飛行速度接近或超過當地音速的程度，科學家採用了一個反映飛行速度的重要參數：馬赫數。它是飛行速度與當地音速的比值，簡稱M數。M數是以奧地利物理學家伊·馬赫的姓氏命名的。馬赫曾在19世紀末期進行過槍彈彈丸的超音速實驗，最早發現擾動源在超音速氣流中產生的波陣面，即馬赫波的存在。M數小於1，表示飛行速度小於音速，是亞音速飛行；M數等於1，表示飛行速度與音速相等；M數大於1，表示飛行速度大於音速，是超音速飛行。

第二次世界大戰後期，飛行速度達到了650-750公里/小時的戰鬥機，已經接近活塞式飛機飛行速度的極限。例如美國的P-51D“野馬”式戰鬥機，最大速度每小時765公里，大概是用螺旋槳推進的活塞式戰鬥機中，飛得最快的了。若要進一步提高飛行速度，必須增加發動機推力。但是活塞式發動機已經無能為力。航空科學家們認識到，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。

二戰末期，德國研製成功Me-163和Me-262新型戰鬥機，投入了蘇德前線作戰。這兩種都是當時一般人從未見過的噴氣式戰鬥機，具有後掠形機翼。前者裝有1台液體燃料火箭發動機，速度為933公里/小時；後者裝2台渦輪噴氣發動機，最大速度870公里/小時，是世界上第一種實戰噴氣式戰鬥機。它們的速度雖然顯著超過對手的活塞式戰鬥機，但是由於數量稀少，又不夠靈活，它們的參戰，對挽救法西斯德國失敗的命運，實際上沒有起什麼作用。

德國噴氣式飛機的出現，促使前反法西斯各國加快了研製本國噴氣式戰鬥機的步伐。英國的“流星”式戰鬥機很快也飛上藍天，蘇聯的著名飛機設計局，例如米高揚、拉沃奇金、蘇霍伊和雅科夫列夫等飛機設計局，都相繼着手研製能與德國新式戰鬥機相匹敵的飛機。

米格設計局研製出了伊-250試驗型高速戰鬥機（米格-13），它採用複合動力裝置，由一台活塞式發動機和一台衝壓噴氣發動機組成。在高度7000米時，這種發動機產生的總功率為2800馬力，可使飛行速度達到825公里/小時。1945年3月3日，試飛員傑耶夫駕駛伊-250完成了首飛。伊250在蘇聯戰鬥機中，是飛行速度率先達到825公里/小時的第一種飛機。它進行了小批量生產。

蘇霍伊設計局研製出蘇-5試驗型截擊機，也採用了複合動力裝置。1945年4月，蘇-5速度達到800公里/小時。另一種型號蘇-7，除活塞式發動機外，還加裝了液體火箭加速器(推力300公斤)，可短時間提高飛行速度。拉沃奇金和雅科夫列夫設計的戰鬥機，也安裝了液體火箭加速器。但是，用液體火箭加速器來提高飛行速度的辦法並不可靠，其燃料和氧化劑僅夠使用幾分鐘；而且具有腐蝕性的硝酸氧化劑，使用起來也十分麻煩，甚至會發生髮動機爆炸事故。試飛員拉斯托爾古耶夫，就在一次火箭助推加速器爆炸事故中以身殉職。在這種情況下，蘇聯航空界中止了液體火箭加速器在飛機上的使用，全力發展渦輪噴氣發動機。

渦輪噴氣發動機的研製成功，衝破了活塞式發動機和螺旋槳給飛機速度帶來的限制。不過，儘管有了新型的動力裝置，在向音速邁進的道路上，也是障礙重重。

空氣動力學家和飛機設計師們密切合作。進行了一系列飛行試驗，結果表明：要進一步提高飛行速度，飛機必須採用新的空氣動力外形，例如後掠形機翼要設法減薄。前蘇聯中央茹科夫斯基流體動力研究所的專家們，曾對後掠翼和後掠翼飛機的配置型式，進行了大量的理論研究和風洞試驗。由奧斯托斯拉夫斯基領導進行的試驗中，曾用飛機在高空投放裝有固體火箭加速器的模型小飛機。模型從飛機上投下後，在滑翔下落過程中，火箭加速器點火，使模型飛機的速度超過音速。專家們據此探索超音速飛行的規律性。蘇聯飛行研究所還進行了一系列研究，瞭解在空氣可壓縮性和氣動彈性作用增大下，高速飛機所具有的空氣動力特性。這些基礎研究，對超音速飛機的誕生，都起到了重要作用。

美國對超音速飛機的研究主要集中在貝爾X-1型“空中火箭”式超音速火箭動力研究機上。研製X-l最初的意圖，是想製造出一架飛行速度略微超過音速的飛機。X-l飛機的翼型很薄，沒有後掠角。它採用液體火箭發動機做動力。由於飛機上所能攜帶的火箭燃料數量有限，火箭發動機工作的時間很短，因此不能用X-1自己的動力從跑道上起飛，而需要把它掛在一架B-29型“超級堡壘”重型轟炸機的機身下，升入天空。

飛行員在升空之前，已經在X-l的座艙內坐好。轟炸機飛到高空後，像投炸彈那樣，把X-l投放開去。X-l離開轟炸機後，在滑翔飛行中，再開動自己的火箭發動機加速飛行。X-1進行第一次空中投放試驗，是在1946年1月19日；而首次在空中開動其火箭動力試飛，則要等到當年12月9日才進行，使用的是X-l的2號原型機。

又過了大約一年，X-l的首次超音速飛行才獲得成功。完成人類航空史上這項創舉的，是美國空軍的試飛員查克·耶格爾上尉。他是在1947年10月14日完成的。24歲的查克·耶格爾從此成為世界上第一個飛得比聲音更快的人，使他的名字載入航空史冊。那是一次很艱難的飛行。耶格爾駕駛X-l在12800米的高空，使飛行速度達到1078公里/小時，相當於M1.015。

在人類首次突破“音障”之後，研製超音速飛機的進展就加快了。美國空軍和海軍在競創速度記錄方面展開了競爭。1951年8月7日，美國海軍的道格拉斯 D.558-II型“空中火箭”式研究機的速度，達到M1.88。有趣的是，X-l型和D.558-II型，都被稱為“空中火箭”。 D.558-II也是以火箭發動機為動力，由試飛員威廉·布里奇曼駕駛。8天之後，布里奇曼駕駛這架研究機，飛達22721米的高度，使他成為當時不但飛得最快，而且飛得最高的人。接着，在1953年，“空中火箭”的飛行速度，又超過了M2.0，約合2172公里/小時。人們通過理論研究和一系列研究機的飛行實踐，包括付出了血的代價，終於掌握了超音速飛行的規律。高速飛行研究的成果，首先被用於軍事上，各國競相研製超音速戰鬥機。1954年，前蘇聯的米格-19和美國的F-100“超佩刀”問世，這是兩架最先服役的僅依靠本身噴氣發動機即可在平飛中超過音速的戰鬥機；很快，1958年F-104和米格-21又將這一記錄提高到了M2.0。儘管這些數據都是在飛機高空中加力全開的短時間才能達到，但人們對追求這一瞬間的輝煌還是樂此不疲。將“高空高速”這一情結髮揮到極致的是兩種“雙三”飛機，米格-25和SR-71，它們的升限高達30000米，最大速度則達到了驚人的M3.0，已經接近了噴氣式發動機的極限。隨着近年來實戰得到的經驗，“高空高速”並不實用，這股熱潮才逐漸冷卻。