书城科普穿越时空的现代交通(新编科技大博览·B卷)
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第33章 空中交通篇(6)

紧接着前苏联的米高扬设计局很快研制出了伊-250试验型高速战斗机。它采用复合动力装置,由一台活塞式发动机和一台冲压喷气发动机组成。在高度7000米时,可使飞行速度达到825千米/时。1945年3月3日,试飞员A.N.杰耶夫驾驶伊-250完成了首飞。随后,伊-250很快进行了小批量生产。

同样的复合动力装置也装在了苏霍伊设计局研制出的苏-3试验型截击机上,1945年4月又出现了苏-5,速度达到800千米/时。另一种型号苏-7,除活塞式发动机,还加装了液体火箭加速器,可在短时间提高飞行速度。拉沃奇金和雅科夫列夫设计的战斗机,也安装了液体火箭加速器。但是,用液体火箭加速器来提高飞行速度的办法并不可靠,其燃料和氧化剂仅够使用几分钟,而且具有腐蚀性的硝酸氧化剂,使用起来也十分麻烦,甚至会发生发动机爆炸事故。在这种情况下,前苏联航空界中止了液体火箭加速器在飞机上的使用,全力发展涡轮喷气发动机。

理论突破首创成果

飞机速度的提高依然困难重重。最大的拦路虎便是“音障”问题。所谓音障,是在飞机的速度接近音速时开始产生的,这时飞机受到空气阻力急剧增加,飞机操纵上会产生奇特的反应,严重的还将导致机毁人亡。涡轮喷气发动机的研制成功,冲破了活塞式发动机和螺旋桨给飞机速度带来的限制,但却过不了“音障”这一关。

奥地利物理学家伊·马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验,最早发现了扰动源在于超音速气流中产生的波阵面,即马赫波的存在。他还将飞行速度与当地音速的比值定为马赫数,简称M数。M小于1,表示飞行速度小于音速,是亚音速飞行;M数等于1,表示飞行速度与音速相等;M数大于1,表示飞行速度大于音速,是超音速飞行。

声音在空气中传播的速度,受空气温度的影响,数值是有变化的。飞行高度不同,大气温度会随着高度而变化,因此音速也不同。在标准大气压情况下,海平面音速为每小时1227.6千米,在11000米的高空,是每小时1065·6千米,于是科学家采用了马赫数来表达飞行速度接近或超过当地音速的程度。

各种形状的飞行物体,在速度接近或超过音速时,受力情况怎样?众多的空气动力学家和飞行设计师们集中力量攻克了这个课题。

我国著名空气动力学家、中国科学院院士、北京航空航天大学名誉校长沈元教授,当时在探索从亚音速到超音速的道路上,做出过突出的贡献。

1945年夏天,沈元以博士论文《大马赫数下绕圆柱的可压缩流动的理论探讨》通过了答辩,在伦敦大学接受了博士学位。他的论文用速度图法,证实了高亚音速流动下,圆柱体附近极限线的存在。他从理论上和计算结果上,证实了高亚音速流动下,圆柱体表面附近可能会出现正常流动的局部超音速区。

这就意味着,只有在气流马赫数增加到一定数值时,圆柱体表面某处的流线,才开始出现来回折转的尖点,这时正常流动就不复存在。这一研究结果显示了在绕物体流动(如机翼)的高亚音速气流中,如马赫数不超过某一定值,就可能保持无激波的、含有局部超音速区的跨音速流动。它针对当时高速飞行接近音速时产生激波的问题,从理论上揭示出无激波跨音速绕流的可能性。

沈元的这项研究,第一次从理论计算上,得出高亚音速绕圆柱体流动的流线图,得出它的速度分布,以及在某一临界马赫数以下,流动可以加速到超音速而不致发生激波的可能性。通过这方面的研究,可以掌握高速气流的规律,了解飞机机体、机翼形状和产生激波阻力之间的关系,探索是否可能让飞机在无激波的情况下接近音速,从而为设计新型高速飞机奠定理论基础。这是一项首创性的成果,对当时航空科学在高亚音速和跨音速领域内的发展,起到了一定的推动作用。

结构改进突破“音障”

面对重重困难,科学家们进行了无数次的研讨和实验。结果发现,超音速飞机的机体结构同亚音速飞机大有不同:机翼必须薄得多;关键因素是厚弦比,即机翼厚度与翼弦(机翼前缘至后缘的距离)的比率。对超音速飞机来说,厚弦比就很难超过5%,即机翼厚度只有翼弦的1/20或更小,机翼的最大厚度可能只有十几厘米。而亚音速的活塞式飞机的厚弦比大概是17%。

超音速飞机的设计师必须设计出新型机翼。这种机翼的翼展(即机翼两端的距离)不能太大,而是趋向于较宽、较短,翼弦增大。设计师们想出的办法之一,是把超音速机翼做得又薄又短,可以不用后掠角。另一个办法是将机翼做成三角形,前缘的后掠角较大,翼根很长,从机头到机尾同机身相接。

美国对超音速飞机的研究,集中在贝尔X-1型“空中火箭”式超音速火箭动力研究机上。X-1飞机的翼型很薄,没有后掠角。它的动力采用液体火箭发动机。由于飞机上所能携带的火箭燃料数量有限,火箭发动机工作的时间很短,因此不能用X-1飞机自己的动力从跑道英国设计的第二代超音速运输机上起飞,而需要把它挂在一架B-29型“超级堡垒”重轰炸机的机身下,飞到高空后,再把X-1飞机投放下去。X-1飞机离开轰炸机后,在滑翔飞行中,再开动自己的火箭发动机加速飞行。

1946年12月9日,X-1飞机第一次在空中开动其火箭动力试飞。

1947年10月14日,美国空军的试飞员查尔斯·耶格尔上尉驾驶X-1飞机完成人类航空史上这项创举,耶格尔从而成为世界上第一个飞得比声音更快的人。耶格尔驾驶X-1飞机在12800米的高空,使飞行速度达到1078千米/时,相当于M1.015。

在人类首次突破“音障”之后,研制超音速飞机的进展就加快了。以美国和前苏联为代表,各国在竞创速度记录方面展开了竞争。

和平之鸽展翅高飞

历史在发展,社会在前进。随着世界大战的结束和国际关系的缓和,超音速飞行技术也越来越多地应用于各种非军事性其他方面,如英、法联合研制的“协和”式超音速旅客机,就已经在飞越大西洋的航线上营运了十几年,能以最大巡航速度M204飞行。前苏联也研制生产了超音速旅客机,但由于技术问题,只在航线上飞行了一段时间,便从客运市场上退出。美国、前苏联还曾经分别研制出超音速的轰炸机。1997年10月15日,英国设计师研制的超音速汽车,首次实现了陆地行车超过音速的创举。

展望未来,超音速飞机将载着人类,以超音的速度,飞向和平的彼岸和幸福的明天。

“协和”超音速客机

“协和”是原英国飞机公司(现并入英国“航宇公司”)和法国航宇公司联合研制的四发动机远程超音速客机。1956~1961年期间,英、法两国分别单独进行超音速客机的初步研究。1961“协和”超音速客机正在起飞年,两国各自提出自己的设计方案,但两种方案气动布局和性能十分相似。由于研制费用高,两国决定合作,平均分摊研制费用。1962年11月,两国政府经过协商,签订共同研制两架原型机的合同,正式命名飞机为“协和”。两国商定,由原英国飞机公司和法国航宇公司共同负责研制机体,英国罗尔斯·罗伊斯公司和法国斯奈克玛公司联合研制发动机。1965年开始制造原型机,1969年初开始试飞,两架预生产型机也分别于1971年底和1972年初交付试飞。预生产型机作了许多改进:机头加长06米,机头横截面从圆形改成扁圆形,以改善机舱视界;客舱由33米加长到387米,载客量增加到128人。1975年底,取得英、法两国型号合格证,1976年1月正式投入航线使用。但由于“协和”耗油率过高,航程不足,只能勉强飞越大西洋,载客量偏小,使用成本大大高于亚音速客机,致使英、法两国航空公司在“协和”的运营上每年亏损四五千万美元,依靠两国政府补贴才能维持其飞行。另一严重缺陷是噪音水平超过美国FAR36民航机噪音水平标准,美国政府不允许“协和”在其本土着陆,致使美国和其他国家的民航公司纷纷取消订货。最后,这项耗资32亿美元的超音速客机研制计划宣告失败“协和”只生产16架,于1979年停产。现在法国航空公司和英国航空公司各在运营7架。

水陆两栖飞机

随着社会经济的迅猛发展,人们对空中交通运输工具提出了更高的要求。发展航空运输的前提是必须有完善的机场设施。但修建一个标准陆上机场需要占地1000万平方米,耗费数万亿美元的资金,在耕地面积日趋减少的情况下,这一要求显得越来越不能满足。

另外,机场必须修建在大城市的远郊。虽然空中飞行速度很快,但从住处到机场的距离所花费的时间有时会比空中飞行的时间还要长,因此,在几百千米的短途飞行中,飞机反倒“弄巧成拙”,还不如乘高速列车方便。

为了改变上述缺点,人们研制了一种水陆两栖飞机,这种飞机既可以在水上起降又可在陆上机场或简易跑道上起降,因而适用范围非常广泛。对比于陆上飞机,这种飞机的主要优越性有以下几方面。

首先水陆两栖飞机机动性能好,使用方便。这种飞机既可以在海滨城市的海面上起降,又可在内陆城市的机场或简易跑道上起降,不再依靠陆上固定的航空港。如遇到一些需要紧急救护事件和特殊公务飞行,水陆两栖飞机对机场的选择性范围大,并可快速抵达。

其次,水陆两栖飞机适用于支线客货运输的发展。由于水陆两栖飞机适合水、陆机场起降,不仅能实现有水域地区之间的相互通航,而且能实现有水域地区与无水域地区之间的相互通航。

再次,水陆两栖飞机解决了水上飞机远距离转场飞行难的问题。因为远距离转场时,水陆两栖飞机可利用陆上机场作为临时降落场。

以上特点说明,虽然水陆两栖飞机比同量级的陆上飞机和水上飞机造价高,技术复杂程度大,但与它的使用价值和实用性相比,显得微不足道。

目前,世界上已生产使用的水上飞机和水陆两栖飞机已达360多个品种,2万多架。其中,水陆两栖飞机29个品种,2千多架。这些飞机主要用于军事方面的作战、轰炸、侦察、巡逻、反潜、布雷、运输等,民用方面的专线包机旅游客运、空中摄影、公安监控及消防和侦缉、公务飞行、农林作业和森林灭火、体育运动、水域旅游、海上救护等,用途十分广泛。

在外国,轻型水陆两栖飞机已进入家庭。而我国由于低空空域未开放,加之水陆两栖飞机生产制造还处在萌芽状态,水上飞机和水陆两栖飞机的市场一直未能打开。但随着改革开放的需要,轻型类和中型类水陆两栖飞机一定会有广阔的市场。尤其发展航空运输业,与我国人口多,土地资源少,建设资金短缺等问题存在着很多矛盾,因此,只发展适用陆上机场的飞机,不能满足航空运输业发展的需要。因此,从发展的眼光看,发展水陆“两栖”飞机是符合我国国情的。

超高音速飞机

20世纪90年代以前,法国、英国联合研制的协和式客机,其航速超过两马赫,即每小时可飞行1450千米。未来的超高音速飞机的航速可达音速的5倍,甚至还有可能出现航速高达25马赫的超高音速飞机,它从英国伦敦飞往澳大利亚悉尼市只需要67分钟。美国已经制定了一项研究经费高达5亿美元的发展计划,目的就是研制超高音速客机。它要求这种飞机具有航速为25马赫、适合在普通跑道上起飞、能进入外层空间飞行等超高性能。这种飞机除了特别的军事用途之外,在民用方面,这项技术也适用于像“东方快车”那样可乘坐300~500名乘客的5马赫客机。开展对超高音速技术研究的重要性可与50年代初对喷气式运输机的研究相比。

俄罗斯中央气体流体动力学研究所研制出速度为音速5倍的超音速和高超音速客机模型。这种飞机能容纳250位乘客,飞行速度约11100千米/小时。由于速度快,飞机外壳将发热到350℃,因此要用复杂的碳复合材料来代替它。飞机需要的燃料将由液体甲烷或液氢代未来的超高音速客机预想图替煤油,加注一次燃料可以飞行1.6万千米。预计2030年这种飞机可以投入使用。