主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫
家园 【原创】比声音还快（一）（完） 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Henkel 178轰炸机上试飞了。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（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。
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
外链图片需谨慎，可能会被源头改贝尔X-1火箭飞机，历史上首次在平飞中突破音障的有人驾驶飞机
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
外链图片需谨慎，可能会被源头改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Me262。在75年从空军退役时，官拜准将，30年后，获国会特别推荐，于2005年晋升少将
外链图片需谨慎，可能会被源头改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 D’Angelo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
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
外链图片需谨慎，可能会被源头改Chuck 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
外链图片需谨慎，可能会被源头改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FW190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1225.1公里/小时。到10000米高空，音速降为1078.3公里/小时。但超过20000米高度后，音速又随高度增高，比如，30000米时，音速为1086.2公里/小时。但是48000米以上时，音速又开始下降。
外链图片需谨慎，可能会被源头改音速以马赫数度量，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
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
外链图片需谨慎，可能会被源头改波导阻力在音速达到最高
外链图片需谨慎，可能会被源头改超音速飞行时，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
外链图片需谨慎，可能会被源头改风洞里F-14的激波图像
外链图片需谨慎，可能会被源头改NASA的T-38在空气中飞行时形成激波的照片
外链图片需谨慎，可能会被源头改音速是随高度变化的，更具体地说，是随空气温度而变化
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
外链图片需谨慎，可能会被源头改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。
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
外链图片需谨慎，可能会被源头改Whitcomb在上课，讲解面积律
外链图片需谨慎，可能会被源头改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”
外链图片需谨慎，可能会被源头改YF-102战斗机在用面积律修行之前（左）和之后（右）
外链图片需谨慎，可能会被源头改具有明显“蜂腰”的幻影III战斗机
外链图片需谨慎，可能会被源头改具有明显“蜂腰”的歼-8II战斗机
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
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家园 周末读晨枫老大的老贴，真是一种享受。 家园 阅读好文的问题 就是急着往下看忘了给前文送花。 补救方法：“看完返回挨篇送”
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家园 这样的好贴就应该隔3差5的亮出来接受献花 家园 希望能把协和的部分再单独讲一下，详细点。 这可是老百姓能坐的唯一一种超音速飞机了，可惜也没了。
家园 晨大你的rp真好！ 恭喜：你意外获得【通宝】一枚谢谢：作者意外获得【通宝】一枚
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早上第一朵花啊！以前四处埋的雷，在昨晚又给我炸出两个宝，估计老铁今天要大放送了。
家园 花赞强文 家园 迟到的炸弹？或者说皆大欢喜？反正我是够high的 惊喜：所有在本帖先送花者得【通宝】一枚
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不对吧，‘先送花者’疑惑中，包不包括我这一花？第一次赶上这样的美差，还不是太明白啊
家园 hiahia，鸡蛋里挑骨头了 吵吵亚轨飞行器的帖子传送到这边来了，那就挖个坟吧。
那个环绕飞机的云雾不是超音速的现象，是什么……别问我，不知道
照片可见，B2周围出现那种云雾，虽然不是太清楚，但还是能看出来，所以肯定不是超音速的缘故
外链图片需谨慎，可能会被源头改
