二战后,人类军事科技水平急速发展,美苏先后研发出超音速飞行技术,并投入到战机研发领域,从此各国战机飞行速度进入超音速时代。距离首台超音速飞机的诞生(1947年)已经过去75年,现在创造世界最快记录的飞机是美国航空航天局研制的X-43A极速飞机,最高速度能达到8.6倍音速。
在服役的第五代战机中,美国F-22猛禽战斗机最大飞行速度2.25马赫,超音速巡航速度1.5马赫;中国歼-20最大飞行速度2.0马赫,超音速巡航数据暂时没有;俄罗斯苏-57战斗机最大飞行速度2.43马赫,超音速巡航速度1.36马赫。(以上数据并非准确,仅供参考)
注意,这里的马赫并非速度单位,马赫这个概念指的是飞行速度与音速的比值。我们把音速看成单位一,2.0马赫就相当于两倍音速,马赫虽然不是速度单位但可以用来表达速度。
而战机使用的音速标准和常态(15℃,一个标准大气压)声速标准也是不一样的。常态声速为340m/s,换算成公里数为1225km/h,在高空中音速标准为1068km/h。
超音速客机
自超音速战机被创造出来后,超音速飞行技术确实也投入过民用,超音速航班并非吹嘘。
历史上只有两款超音速客机被投入使用,一款是法国、英国联合研制的协和式客机(Concorde),另一款是前苏联研制的Tu-144号客机。Tu-144因为是当时苏联追赶英法超音速客机强制研发的产品,产品存有一定缺陷,运营仅半年就因为一场空难被迫关停了服务。
协和式客机1976年正式投入使用,主营从伦敦、巴黎飞往纽约的跨大西洋航线,停止服务于2003年10月。该客机能在一万八千米的高空以2.02倍音速进行超音速巡航,从伦敦飞往纽约耗时3小时20分钟,飞行时间比普通客机缩短了近一半,深受商务旅客的喜爱。
协和式客机虽然在航运过程中进行危险的超音速飞行,但实际上它的安全性非常高,在它27年的营运生涯中,仅出现过一起灾难性事故。协和式飞机没有在高空中翻车,反而在起飞跑道上因为轮胎破损击毁引擎,飞行员救机失败,倒在了法国戈内斯(Gonesse)。
这起事故让它从世界上最安全的客机变成了最危险的客机,它以每百万次航班丧生旅客12.5人的数据去到了安全记录的最底层。
受到事故打击的英法航空痛定思痛,对所有协和式飞机进行安全改进,并于2001年1月17日再次进行首飞测试。这次首飞引起了全球媒体的关注,首飞的成功让协和式客机重获新生,同年9月,在多方检定决策下,英法航空取得了协和飞机的适航证书。
事实上这起事故对协和式客机的打击没有想象中那么大,它只是协和式客机停运原因的一部分,真正切断这条超音速航线的源头在美国遭受的“911”恐怖袭击。“911”以后,国际民航事业受到巨大冲击,专注长途高效旅程的超音速航班出现巨量亏损,英法航空不得不关停了这项业务。
从此以后,世界上再没出现过超音速航班,普通人现在是没有机会体验超音速飞行的。不过现在没有,不代表以后没有,2020年10月,Boom超音速公司首次发布XB-1演示机。去年6月联合航空公司已经和该公司签订了 15架Boom Overture超音速飞机的协议,预计将在2029年开始运营。
飞机如何实现超音速飞行
任何物体震动都会产生声音,这种震动通过介质进行传播。我们把空气当成介质,手机以一定的频率震动,周围的空气分子也会以同样的频率震动。这种震动推动相邻的空气,稍微增加了空气压力,高压和低压空气形成一个波动界面,逐渐向外扩散。这种扩散的感觉就像水面产生的波纹,随着扩散范围扩大,波纹逐渐消散。
飞机在运动过程中扰动空气,会造成受到扰动和尚未受到扰动的气体之间形成的高低压差异,高、低压空气间会产生一个分界面,形成一段段向外扩散的声波。只要飞机一直在运动,它就会一直产生声波。
当飞行速度接近音速时,飞机将逐渐追上自己产生的音波。此时,由于声波无法有效传递出去,这层堆叠的声波将聚集在飞机迎风面,最终形成空气中压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面——激波面。激波面将增加空气对飞行器的阻力,这种因为音速造成提升速度的障碍被俗称为音障。
飞机速度越接近音速,这种阻力就越强,早期设计不合理的飞行器在接近音速时很容易被音障击垮,从而直接在空中解体。
为了突破音障,二战时期的战斗机设计师摒弃了飞机迎风面的螺旋桨发动机,改用尾部喷气式发动机;机翼也从原来的平直式改为后掠式,减少迎风面阻力;飞机内里的框架结构也得重新设计,增加机身强度。
当然最重要的外壳材质也不能遗漏,激波面积累的机械能会大量转化为内能,使机身温度急速升高,外壳还需要极强的隔热耐高温材质,这样才能保证飞行员不被烤熟。
当飞机完全突破音速进入超音速飞行后,激波面不再黏附在机身上,它此时会成为完全的声学能量体,在机身周围形成音锥。音锥在听觉上是一声短暂而强烈的爆炸声,也被称为“音爆”。
注意,音爆会一直伴随超音速状态的飞机,人能一直听到飞机飞行的声音是因为声波扩散。真实的音爆威力非常强,它蕴含的声学能量会对建筑建构造成巨大的损伤。一般情况,飞机是禁止在住宅区进行超音速飞行的。
飞机进入超音速飞行还会产生一个肉眼可见的圆锥形云团,这层云团呈现出以飞机为中心轴的圆锥形,是机翼引起的气流加压加速导致的水气凝结现象。飞机跨入超音速一定会产生这种现象,但出现这种现象的飞机不一定是在超音速飞行。在合适的情况下,尚未接近音速的飞机也能在自己周围形成为普朗特-格劳厄脱凝结云。
总结
超音速飞行并不是战斗机的专利,在2003年以前人们确实可以乘坐协和式客机体验一把超音速飞行的快感。超音速飞行因为超越了音速,外界的飞行噪声根本追赶不上飞机,乘客反而会感觉更加安静。如果未来有机会体验一趟超音速飞行,你会去吗?