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欢迎大家再次回到《力学与现代生活-

开启科学人生》课堂！

这里我们学习第五章的第五节：

“超音速飞行--

从噩梦到现实”

在这节课里我们首先 给大家讲解一点

“超音速飞机”的几个知识概念--

包括‘音障’、‘激波’，

以及‘跨音速飞行’的升力与阻力，

和飞行体设计 应该遵循的“飞行面积律”，

下面我们 一一进行讲解。

我们这一部分 讲一讲 我们的音障--

就是 音速啊 作为飞行的‘一道坎’，

我们讲一讲到底什么是音障？！

然后呢 我们介绍一下超音速飞行里面的

阻力 和升力的问题，

接着我们把 超音速飞机里面设计

飞行器 它的设计里面的面积率，

还有相关的基本知识，

给大家做一点简单介绍，

最后呢 我们介绍一下 关于飞天的 飞行器--

从这个火箭 到这个 阿波罗登月 这样的工程，

以及最后我们的 人类 航天的飞行器

到底 走向 何方？！

下面我们 详细 介绍 每一部分的内容。

第一部分我们看看 音障：

音障呢 我们号称是“航空飞行的一道坎！”

二次 世界大战末期,

随着这个喷气发动机的出现，

飞机飞行的推力 大大提高，

那么飞机速度 达到了 甚至超过了音速！

(我们知道 音速是每秒340米--

也就是 每小时 折算下来1220公里)

可以说 人类的这个飞行记录啊

又进入了新的 纪元！

但是呢 我们在 超音速飞行的时候，

飞行员呢 发现啊

尽管它的 油门不断加大--增加了推力，

但是呢 飞行速度 增加很少！

尤其在俯冲的时候,

飞机呢 不听操纵--

出现一些 自动低头、剧烈震动、

左右摇晃 这样的一些 情况，

所以把它叫做“噩梦”！

越接近音速 越感觉到痛苦,

如果说飞行员 强行地冒险--

冲破速度记录的话，

飞机的升力啊 会突然的减少，

甚至 很容易造成 机毁人亡！

大家看看 这个图片。

那么所以呢 这个 当时普遍认为：

“音速 是飞行速度的极限”--

所以把它叫做“音障”。

那么飞机呢 突破音障 会产生一些

意想不到的、跟普通飞行 不一样的

这么一个“空气动力学”的性能改变。

我们看看这个 图片呢--

这是这个飞机 冲破音速了，

产生的 气流的 瞬间的 像障碍一样的突破。

后来经过 十多年的研究，

尤其是 跨音速的风洞的设计制造 和使用，

最后 终于了解到 超音速的飞行，

它这种 具有的特殊现象，

以及它的 所遵从的一些规律，

而且发现呢 “音速啊 并不是一个不可逾越的障碍！”

那么 音速呢 大家把它 经常都作为 航空界

航空飞行的“基准值”。

所以前面我们看到 都是用马赫 马赫--

就是多少倍的音速 来界定飞机 在大气层里面

飞行的速度。

我们看到 飞机有 很多种 音障的产生，

像这里 这几个图片，

大家可以看一看--

看到很精彩 闪出一道白光一样的，

这是航天飞机的音障--

这个音障 可能不太清楚--这里边

使用点画线里边 我们显示的，

跟那个光圈一样的--七彩色的！

下面我们看看:

这个超音速呢 实际上 它会产生一个激波。

这个奥地利学者 马赫(Mach) 最先 提出了“马赫数”--

就是飞行速度 除以 音速--

按照每秒 340米 (海平面上

或者是 1万米高空的音速呢--它是每秒 296米）

把这个 航空飞行速度分为 “亚音速”--

也就是 0.1到0.8 马赫；

“跨音速”--0.8到1.2 马赫；

还有 “超音速”--1.2到5.0 这个范围；

还有 “高超音速”--是大于5马赫。

我们来看看 超音速飞行的特殊现象--

就是“激波”

我们知道 声音呢 实际上 它是

空气分子扰动产生的声--

产生的声音的效果，

那么 在各个方向传播 是相同的。

那么音速呢 就是这种空气分子的扰动 传播速度，

我们用Vs来表示。

在亚音速飞行状态下，

我们看看 分子的扰动传播速度啊--

这个Vs啊 它是大于 飞机的飞行速度，

我们用V来表示。

比如飞机 它前方 某一处的 一块空气，

在 物体到来之前呢

已经提前到达了这个 声波扰动的这个速度，

而提前“腾开”让路，

那么空气呢 分子 在这个物体到来之前，

它没有‘堆积’现象。

在空气流场里边，

它各个运动的物理参量--

比如说 速度、压力、密度 这些参数呢

它在空间分布 是连续的；

而在超音速飞行的时候，

飞行物到达的时候，

空气分子啊 才突然被推开--

推开 而堆积到一起，

这个物体附近的 流动状态呢 就发生了突变--

由静止 突然 变为剧烈运动！

那么空气流场里边

各个参量的空间分布是不连续的--

我们把它叫“间断”！

那么 “突变的空间形状界面”就把它叫做“激波”，

我们看到 这么一个图片--激波条纹。

在激波里边 空气的分子啊 存在着摩擦，

这个摩擦呢 使得机械能 转化为热能，

而且呢 变成“机械能损失”和“波阻”两块--

除了‘机械能损失’，还有波阻。

如果你的飞行速度越快，

产生的激波 就会越强，

能量损失 以及波阻 就会越大，

飞行呢 冲破音障呢 就会越来越困难...

随着升力 下降 阻力 也会下降，

压力分布呢 突然 激变，

那个气动力(的) 偏离重心,

使得这个操纵啊 非常困难！

飞行速度越快 激波呢 就越强，

产生的能量损失和波阻越大，

飞机 冲破音障呢 越困难！

随着 升力的下降、阻力的上升，

这个压力分布 发生 激变，

使得这个空气的气动力啊 偏离重心，

造成了 操纵 非常困难！

激波呢 可以分成 “正激波”和“斜激波”两种，

正激波呢 一般都是 ‘钝头体’产生的，

它垂直于运动方向 我们看这个图片--

钝头体 产生的正激波；

那么“斜激波”它是‘尖头体’产生的，

不垂直于运动方向，

(我们看这个尖头体产生的斜激波)

这个钝头体产生的正激波呢

这个流场的压力呢 上升得非常快 而且很强；

而尖头体产生的斜激波

压力上升比较缓慢 强度比较小。

所以呢 正激波能量 大于斜激波能量！

斜激波 它的机翼 所受到的波阻

也相对小一些。

因此呢 超音速飞机的 机翼设计，

通常采用 “后掠翼型”的机翼，

加上这个 尖的 前后缘，

这样 可以推迟激波的发生。

尽量减少正激波，

能够相应地减弱相应的斜激波。

这个后掠翼 我们看到：

现在的这个 超音速飞机 都是‘后掠翼’，

我们所谓的后掠翼 就是指：机翼

跟这个攻角之间 都成了一种后斜的。

当然 也有‘前掠翼’的设计--

1945年2月

德国 Ju 287 这种超音速飞机呢 它是前掠翼--

掠角 θ 是15度。

在上个世纪70年代末 美国的X 29A，

它也采用了前掠角--就是35度的机型设计。

当然这种 前掠翼的超音速飞机，

技术非常复杂！那么 配套的技术要求很高，

现在基本上 放弃了这种前掠翼设计。

下面我们来看看这个 “跨音速阶段”啊

它的飞行 一些飞行器受到的阻力和升力。

飞机在不同的速度下 飞行的时候，

受到的升力、阻力 相对大小 是不一样的--

我们看看 这个图：

阻力在 马赫数小于0.7的时候，

基本上 是一种恒定的常数，

但是 升力呢 远大于阻力；

那么到了马赫数 接近于1的 这么一个阶段里面，

这个升力比较小、阻力上升，

二者呢 在这一段里面交替--

存在一种交替地变化的状况；

当 这个 飞行速度 大于1.1马赫的时候，

我们的飞行升力 小于阻力--发生了突变。

总的来说，

在这个飞行速度 从亚音速 到超音速 这个过程中，

变化 是比较复杂的。

那么在 超音速飞行的时候，

它这个流场 的压力 分布 是比较复杂的，

那么 飞行 速度较快的时候，

通常 我们可以把空气呢 视作为“可压缩流体”--

不再是“不可压缩”的。

这时候我们那个 钱学森同志啊 仔细研究--

跟这个卡门 一起呢 研究、发表

得出一个结论 一个公式--

叫做“卡门—钱” 这个公式：

把飞机在 接近于音速的时候，

它的机翼的压力分布，

得到了这么一个‘压力系数’--

这个压力系数里边，

其中这个 Cp0 就是不可压缩空气的

同翼型的时候 掠角，而且 相同的时候

它的压力系数；

这个 M_无穷大 就是表示 远场--

离飞机比较远的流场 的流体速度 马赫数.

这个公式 在我们

跨音速飞行的机翼设计里边，

应用比较广泛！

我们可以看到:

减少超音速飞行的阻力，

除了采用后掠翼的、

还有 机翼的截面积--尽量薄，

以及采用 尖‘ 前/后缘’ 之外，

还要遵从 我们其他的一些设计规律--

比如说我们的“飞行面积律”，

通常用它来设计飞机的外形。

“飞行面积律”是这么说的--

那么就是：我们的“机身、机翼,

它的总的横截面积 沿着机身的轴线

需要缓慢变化--

从前到后呢 它的轴向的各截面积

跟这个 所在的截面上，

‘自重的旋成体’的截面积要相同！”

这是1952年 到56年 美国的惠特.科姆

提出来的这么一个飞行面积律。

我们看到 这个机翼 在 像这个中心这里，

这底下是旋成体，

旋成体的截面积 要跟

横截面的机身本身

机翼的截面积要一致。