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第6章 飞机引领人类进入飞行时代(3)

克服音障的超音速飞行

当战斗机的速度达到每小时七八百千米时,驾驶员发现,尽管一个劲儿地加大油门,飞机的速度也不会增加,飞机俯冲时也往往不听操纵,有自动低头的趋势,有时还剧烈地振动,左右摇摆等。这是为什么呢?原来是飞机速度已经接近空气中声音的传播速度——音速。这一飞行上的难题,当时叫做音障,顾名思义,就是超越音速是飞行中的障碍。

那时人们只有低速飞行的经验,只是在枪弹、炮弹飞行方面早已积累了许多超音速的运动知识,枪弹、炮弹一出膛的速度就是超音速了。但是对于物体由低速加快上去、接近音速、最后超过音速的过程是不清楚的,以为飞机的速度接近音速时会有一个难以逾越的界限。

20世纪50年代中,人们进行了超音速飞行,当时这是飞行史上十分激动人心的事情。几十年过去了,现在人们谈论起超音速的飞行并不觉得有什么激动的,好像超音速飞行是天经地义的事情。但是你可否知道,当时人们在向音速冲击时,遇到了多大的困难啊!

声音的速度有多大呢?在日常生活中,我们有许多平时不曾深刻体会的实际经验,你一张嘴说话,我立即就能听到,似乎声音的传播不需要时间,但实际上,声音从一地到另一地的传播是需要时间的,只是因为它的传播速度相当快而已。在海平面上温度为15℃时,它的速度是每秒340米,即每小时1224千米,而说话的人与听话的人之间的距离又非常近,所以感觉不出传播所花的时间。在雷雨天,我们常能看到这样一个现象:先看到闪电后,才能听到远处传来的隆隆雷声。实际上闪电和雷声是在云层中同时产生的,只是因为闪电以光速每秒30万千米的速度传播,而雷声是以音速传播的缘故。

声音是怎么一回事?我们听到的声音,是发声物体的振动,通过空气传到我们耳膜的一种感觉,而它本身就是物体振动。物体振动之后,必然会带动物体周围的空气一起振动。就是说,物体振动时会使和它相接触的空气层时而受到压缩,时而又得到膨胀,这种时而压缩时而膨胀的运动,会从一层空气传到另一层,不断地向四面八方传播,音速实际上指的就是这种扰动由近向远的传播速度。

声音的传播速度与空气的温度有关。在海面上,空气温度为15℃时,其声音传播的速度为每秒340米,在平流层里,温度为-56.5℃时,音速为每秒296米。

飞机在空中飞行,不断地扰动四周的空气,这些扰动也就以音速传播开了。

通常人们将飞机的速度是音速的多少倍数称为马赫数,这是为了纪念一位名叫马赫的科学家而命名的。如果飞机做超音速飞行,马赫数显然就大于1了;如果做小于音速的飞行,马赫数就小于1。

飞机一接近音速飞行,会遇到许多低速时不会遇到的复杂现象,这时飞机的阻力会变得很大。为了克服这些阻力,人们将机翼做得比以前薄了许多,以减小阻力。

后来,人们发现将机翼做成向后倾斜的形状,做超音速飞行时,可以减小许多阻力,同时将机翼的前面做成尖头,而不是像低速飞行时那样,将机翼前缘做成圆头的。这样一来,飞机的阻力便会减小,速度便会加快。

今天的战斗机机翼的前面几乎都是向后倾斜的,我们叫它后掠翼飞机。当这种飞机起飞时,速度很低,这时它的机翼张开,像低速飞机一样并不后掠,当速度越来越快,并且接近音速时,它的机翼便后掠起来。速度越大,后掠便越厉害。

超音速飞机现代的超音速战斗机,飞行马赫数一般在2左右,只有很少几种马赫数超过了3的飞机,个别一两架试验性飞机马赫数超过了6。宇宙飞船返回地球,洲际导弹重返大气层时,是做高超音速飞行,马赫数可以达到10以上。这时由于与空气剧烈地摩擦,飞行器表面的温度非常高,如果制造这些飞行器的材料不能耐高温的话,便有可能被“烧穿”。为防高温,美国的航天飞机便在四周、尤其是在头部贴上了一层用陶瓷材料做成的防热瓦,才安然无恙地返回了地球。

知识点音障和音爆

音障是一种物理现象,当航空器的速度接近音速时,将会逐渐追上自己发出的声波。声波叠合累积的结果,会造成震波的产生,进而对飞行器的加速产生障碍,而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障。

突破音障进入超音速后,从航空器最前端起会产生一股圆锥形的音锥,在旁观者听来这股震波有如爆炸一般,故称为音爆或声爆。强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害,对于飞行器本身伸出冲击面之外部分也会产生破坏。除此之外,由于在物体的速度快要接近音速时,周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态,因此一旦物体穿越音障后,周围压力将会陡降。

可以直上直下的直升机

人类很早就想造出可以直上直下的飞机。直升机,从它的名字意思理解,就是可以直上直下地飞行。我国古老的玩具竹蜻蜓,在原理上就是垂直上升的直升机。不过,人类造出的第一架直升机却比飞机要晚二三十年,原因是制造固定机翼的飞机比制造直升机简单。但是,直升直降的飞行器和能在空中慢慢地飞、甚至能悬停的飞行器相比,有很多独有的用途,特别是在军事上。直到20世纪30年代末才制造出了真正能用的直升机。

为了了解直升机,让我们先看看飞机螺旋桨是怎么拉着飞机前进的。我们知道,一个木螺钉向木头钻进,只要旋一周,它就会钻进一段距离,螺旋桨在空中旋转,简单地说也像螺钉钻木一样,螺旋桨在空气中旋转产生拉力,使飞机前进,不过空气不是固体而已。

螺旋桨螺旋桨的叶片在旋转时就像旋转着的机翼一样,不过这时产生的力不是向上的升力,而是向前的拉力。与机翼一样,这个力也是与桨叶几乎垂直的。你不妨想想,如果这个螺旋桨装在机背上,不就又将拉力变成了使飞机向上的升力了吗?不过,普通飞机,螺旋桨的拉力是为了对付阻力的,它的拉力只等于飞机重量的十几分之一,根本不能把飞机直接拉上空中。可是,同样马力的发动机用在直升机上,却能把同样重量的直升机垂直拉到空中。这是为什么?

原来学问在旋翼的长度上——螺旋桨(直升机上的叫旋翼)的直径。直径越大,拉力也就越大。一旦拉力比飞机的重量还要大时,直升机就可以垂直升空了。因此,直升机的旋翼叶片要很长,才能产生较大的升力。但同时也带来了新的问题,直升机的旋翼直径很大,如果转速还那么高的话,叶尖处的速度就超过了音速,阻力就会大得受不了。因此,直升机的旋翼所用的转速特别低,每分钟只有二三百转,而一般飞机的螺旋桨每分钟1000~2000转。

为什么直升机有了主旋翼还非要做一个蜻蜓一样的尾巴,上面再装一个小尾桨,这是怎么一回事呢?这个小东西自有它的妙用,而且必不可少。

凡是用单个主旋翼的直升机都少不了一个尾桨。这个尾桨的位置在尾杆的后端头上,它的尺寸和普通小飞机的螺旋桨差不多(2米左右,桨盘方向也和普通螺旋桨一样是竖的,产生的拉力是水平的,不过指向不是前进方向,而是横的)。这个尾桨是为了克服掉主旋翼给机身的扭转作用。没有它,悬在空中的机身会向主旋翼的旋转相反的方向旋转。试想,我们在房间里装上一个吊扇,如果不将它的底座固定在天花板上,只让它吊在那里,那么在吊扇开动的同时,底座也会转动。这个问题在直升机上是很严重的,因为直升机旋翼的转速特别低,旋翼特别大,因而相反的扭转作用也特别大。直升机又没有固定机翼可以对抗这个相反的扭转作用,所以要用尾桨。为了让它少消耗马力,尾桨尽量把它放得离旋翼的主轴中心远些。机尾越长,尾桨就能产生足够的扭转作用来平衡主旋翼产生的反作用。这就是为什么单旋翼的直升机都向后伸出一条长尾杆的缘故。

有些大的直升运输机,是前后两个大的旋翼,这时就不用装小的尾桨了。因为这时只要这两个旋翼转动的方向相反,就会将各自产生的使直升机扭转的作用相互抵消掉。这好比我们拧干湿衣服,拧到一定的时候,两只手怎么拧也拧不动了一样。两个旋翼调整好各自的转速,直升机就不会扭转了。不过,一定要记住:这两个旋翼的旋转方向一定要相反。

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