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        與聲音“賽跑”
        ———超音速飛機(jī)漫談

        2018-10-26 07:23:36王依兵
        百科探秘·航空航天 2018年10期
        關(guān)鍵詞:音速飛行速度超音速

        文/王依兵

        ◎軍艦鳥

        自然界的很多鳥類和昆蟲都掌握著高超的飛行技巧,例如蜻蜓可以在向前飛和懸停狀態(tài)之間迅速切換,雄鷹可以充分利用上升氣流進(jìn)行盤旋和滑翔,這些動物的飛行技術(shù)和靈活性使人類嘆為觀止。但是在飛行速度方面,人類制造的飛行器卻具備動物們無法達(dá)到的境界:超音速飛行。據(jù)說,鳥類中的“短跑冠軍”——軍艦鳥在捕獵的瞬間,飛行速度可達(dá)116米/秒(每秒飛行116米),而最普通的超音速飛機(jī)飛行速度可以輕松地超過它兩倍以上。不過,你可不要以為人類做到這一點(diǎn)是很輕松的,科學(xué)家們曾經(jīng)為此可是付出了巨大的努力。

        超音速的攔路虎——音障

        自從1903年萊特兄弟實(shí)現(xiàn)了人類第一次有動力可控飛行以后,人類的航空技術(shù)發(fā)展迅速,飛行速度也越來越快。到20世紀(jì)40年代,使用活塞式發(fā)動機(jī)的螺旋槳動力飛機(jī)的最大平飛速度已經(jīng)可以達(dá)到195米/秒。然而,人們很快發(fā)現(xiàn),若想繼續(xù)提高飛行速度,一個很難克服的問題出現(xiàn)了……當(dāng)飛行速度接近音速時,飛機(jī)的阻力會突然增大,機(jī)頭就像頂著一個巨大的彈簧一樣,不僅如此,整個飛機(jī)還會發(fā)生劇烈的震動,嚴(yán)重時會導(dǎo)致飛機(jī)解體。這種阻礙飛機(jī)超音速飛行的現(xiàn)象被稱為“音障”。

        從空氣動力學(xué)的角度來看,飛機(jī)在向前飛行時會對周圍的空氣產(chǎn)生擾動,就像快艇在水面上行駛時會擾動水面形成水波一樣。你有沒有注意過,快艇在水面上行駛的速度不同,它對周圍的水的“擠壓”程度就會不同,那么它四周形成的水波形態(tài)也就不同了。同樣的道理,飛機(jī)以不同的速度飛行時,它四周的空氣“波紋”也會不同。具體來說,當(dāng)飛機(jī)的飛行速度為0時,它對空氣的擾動會以聲音的傳播速度均勻地向四面八方傳播;當(dāng)飛行速度低于音速時(低音速飛行),擾動的傳播會在前進(jìn)方向上被稍稍壓縮;當(dāng)飛行速度達(dá)到音速后(跨音速飛行),恰好飛行速度與擾動傳播速度一致,擾動在前進(jìn)方向一側(cè)被壓縮在非常狹小的區(qū)域內(nèi);當(dāng)飛行速度大于音速后(超音速飛行),這個壓縮界面會被拖長為一個圓錐形。為了紀(jì)念奧地利科學(xué)家恩斯特·馬赫對超音速問題的研究貢獻(xiàn),這個“圓錐”被命名為“馬赫錐”。如果你見過水面上航行的快艇,那么請你回憶一下快艇行進(jìn)時激起的水波,就可以更直觀地理解“馬赫錐”的含義了。

        飛機(jī)在超音速飛行時造成的強(qiáng)擾動形成的邊界波是一層致密的空氣層,氣流經(jīng)過這個位置會被強(qiáng)烈地壓縮,密度和溫度也隨之升高,這個超強(qiáng)的壓縮邊界波就被稱為“激波”。由它引起的巨大阻力則稱為激波阻力。

        ◎恩斯特·馬赫

        ◎低音速飛行

        ◎跨音速飛行

        ◎超音速飛行

        最容易誤會的參數(shù)——馬赫數(shù)

        提到著名的科學(xué)家馬赫,就不能不說一個以他的名字命名的概念——馬赫數(shù),可以寫為Ma。它的含義是:馬赫數(shù)等于幾,速度就是當(dāng)?shù)匾羲俚膸妆?。例如,Ma=1的含義就是速度為一倍音速,而Ma=2的含義就是速度為兩倍音速。

        如果你認(rèn)為自己已經(jīng)充分理解了這個概念,那么下面就來考考你。很多人都從書上得知,聲音的傳播速度是340米/秒,那么如果一個飛行器以Ma=2的速度飛行,它的飛行速度可以換算成每秒多少米呢?如果你的回答是680米的話,你就上當(dāng)啦!因?yàn)轳R赫數(shù)指的是“當(dāng)?shù)亍币羲俚谋稊?shù),而聲音的傳播速度取決于溫度、壓力等諸多因素。我們平時所看到的340米/秒這個數(shù)據(jù)指的其實(shí)是15℃時、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的音速。一般來說,飛行高度越高,空氣越稀薄,相應(yīng)的音速也會隨之降低,到達(dá)萬米高空時,音速就已經(jīng)降到300米/秒以下,不能直接用340米/秒這個數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際飛行速度了。因此,網(wǎng)上很多數(shù)據(jù)“高估”了飛機(jī)的飛行速度,就是因?yàn)榉噶诉@個錯誤。

        飛機(jī)的飛行速度劃分

        Ma≤0.4

        0.4<Ma≤0.75

        0.75<Ma≤1.2~1.4

        1.2~1.4<Ma<5.0

        Ma≥5.0

        低音速飛行

        亞音速飛行

        跨音速飛行

        超音速飛行

        高超音速飛行

        音爆

        我們已經(jīng)了解,當(dāng)物體運(yùn)行速度接近音速時,會有一股強(qiáng)大的阻力,使物體產(chǎn)生強(qiáng)烈的震蕩,以至速度衰減,這一現(xiàn)象被稱為“音障”。而當(dāng)飛機(jī)突破音障時,由于飛機(jī)本身對空氣的壓縮使空氣無法迅速傳播,逐漸在飛機(jī)的迎風(fēng)面累積,最終形成激波面。在激波面上聲學(xué)能量高度集中。這些能量傳到地面時,會形成雷鳴般的爆炸聲。

        音爆的能量巨大,一架在 16 000米高空以兩倍音速飛行的協(xié)和客機(jī)產(chǎn)生的音爆對地面的壓強(qiáng)高達(dá)100帕,相當(dāng)于給一塊一平米左右的玻璃窗施加約100牛頓的力。而音爆的強(qiáng)弱以及對地面影響的大小,與飛機(jī)飛行高度有著直接的關(guān)系。因?yàn)?,激波和水波一樣,距離越遠(yuǎn),波的強(qiáng)度越弱。當(dāng)飛機(jī)做低空超音速飛行時,不但地面上的人能聽到震耳欲聾的巨響,影響人們的生活和工作,嚴(yán)重的還會震碎玻璃,甚至損壞一些建筑物。隨著飛行高度的增加,這種影響會越來越弱,當(dāng)超過一定的高度后,音爆對地面的影響就會消失。

        突破音障的法寶

        經(jīng)過研究,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)音障的存在主要是由于激波的產(chǎn)生,只要有足夠的推力,飛機(jī)是完全可以突破音障的。但是憑借傳統(tǒng)的活塞式發(fā)動機(jī)是很難突破音障的,一方面活塞式發(fā)動機(jī)的推力有限;另一方面螺旋槳尖端在飛機(jī)超音速前就已經(jīng)局部達(dá)到音速,激波阻力會激增。如此看來,人們需要研制一種新型的航空發(fā)動機(jī)才能實(shí)現(xiàn)超音速飛行。在這種情況下,突破音障的法寶應(yīng)運(yùn)而生,它就是噴氣發(fā)動機(jī)!

        音爆云

        在突破音障時伴隨的另一個奇特現(xiàn)象是“音爆云”,這是由于在激波面后方由于氣壓增加而壓縮周圍的空氣,使水汽凝結(jié)成微小的水珠,看上去就像云霧一般。而這種云霧俗稱為“音爆云”,它的學(xué)名為普朗特-格勞厄脫凝結(jié)云。

        ◎完成人類第一次超音速飛行的X-1試驗(yàn)機(jī)

        其實(shí),早在20世紀(jì)30年代初,噴氣發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)理念就已經(jīng)被提出來了。1939年,德國試飛了世界上第一架噴氣式飛機(jī)He-178;1941年,英國緊隨其后成功研制出裝有噴氣發(fā)動機(jī)的飛機(jī)E-28/29。此后,美國的F80和蘇聯(lián)的雅克-15、米格-9等噴氣戰(zhàn)斗機(jī)相繼誕生。但是,由于沒有掌握減少激波阻力的方法,噴氣發(fā)動機(jī)最初并未與“超音速飛行”聯(lián)系在一起。所以,人類首次突破音障的飛行試驗(yàn)是利用火箭發(fā)動機(jī)完成的。1947年10月14日,美國空軍飛行員查爾斯·耶格駕駛X-1試驗(yàn)機(jī)首次進(jìn)行了Ma=1.1015的跨音速飛行。實(shí)驗(yàn)的過程是:先用B-29轟炸機(jī)掛載X-1飛行,然后X-1上的火箭發(fā)動機(jī)在空中點(diǎn)火后幫助X-1脫離轟炸機(jī)加速飛行。

        很快,美國和蘇聯(lián)的專家在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后從德國繳獲的技術(shù)資料中,獲得了后掠機(jī)翼設(shè)計(jì)的啟發(fā)。這種設(shè)計(jì)能夠有效減小激波阻力,再加上大推力噴氣發(fā)動機(jī)的應(yīng)用,20世紀(jì)50年代后,世界航空終于進(jìn)入超音速時代。

        發(fā)展迅猛的超音速戰(zhàn)斗機(jī)

        當(dāng)飛行速度超過音速后,空氣動力特性發(fā)生了很大變化,飛機(jī)設(shè)計(jì)理念也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。比如,從前適合低速飛行的平直機(jī)翼在超音速飛行時容易造成很大的激波阻力,后掠機(jī)翼便成為超音速飛機(jī)的首選。人們還發(fā)現(xiàn),尖銳前緣外形可以更好地減小激波阻力。在超音速空氣動力學(xué)和飛機(jī)設(shè)計(jì)理論的不斷發(fā)展下,第一代超音速戰(zhàn)斗機(jī)問世了。美國的F-100戰(zhàn)斗機(jī)和蘇聯(lián)的米格- 19戰(zhàn)斗機(jī)就是其中的典型代表。我國的殲-6戰(zhàn)斗機(jī)就是在米格- 19的基礎(chǔ)上仿制和發(fā)展而來的,這型戰(zhàn)斗機(jī)在中國人民解放軍空軍服役半個多世紀(jì),為保衛(wèi)祖國領(lǐng)空立下了汗馬功勞,直到2010年才完全退役。

        在第一代超音速戰(zhàn)斗機(jī)問世的幾年后,可以達(dá)到兩倍音速(Ma=2)的第二代超音速戰(zhàn)斗機(jī)就出現(xiàn)了,例如美國的F-104戰(zhàn)斗機(jī)和蘇聯(lián)的米格-21戰(zhàn)斗機(jī)。我國的殲-7、殲-8戰(zhàn)斗機(jī)也屬于第二代超音速戰(zhàn)斗機(jī)。隨著飛行速度的進(jìn)一步提高,飛機(jī)與空氣摩擦產(chǎn)生的氣動熱明顯增加,這對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生了威脅。當(dāng)飛行速度達(dá)到三倍音速(Ma=3)時,機(jī)頭溫度將達(dá)到370℃左右,傳統(tǒng)的鋁合金材料很難承受這般高溫,于是這種技術(shù)困難就被稱為“熱障”。到了20世紀(jì)60年代,由于材料技術(shù)的進(jìn)步,熱障已經(jīng)被突破,很多飛機(jī)的飛行速度都可以超過三倍音速,如美國的SR-71偵察機(jī)、蘇聯(lián)的米格-25戰(zhàn)斗機(jī)等。

        20世紀(jì)70年代,各國不再追求增加戰(zhàn)斗機(jī)的飛行高度和速度,而是更加注重低空機(jī)動性能。裝備先進(jìn)雷達(dá)和新一代導(dǎo)彈的第三代戰(zhàn)斗機(jī)走上了歷史舞臺,其中,著名的戰(zhàn)斗機(jī)有美國的F-15、F-16和F-18,蘇聯(lián)的米格- 29、蘇- 27等。我國自主研發(fā)的殲-10戰(zhàn)斗機(jī)由于在部分性能指標(biāo)上高于第三代戰(zhàn)斗機(jī)的標(biāo)準(zhǔn),因此被很多人稱為“三代半”戰(zhàn)斗機(jī)。

        目前,世界上已經(jīng)服役的最先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)是第四代超音速戰(zhàn)斗機(jī)(俄羅斯稱“第五代”,后來美國也改稱“第五代”),包括美國的F-22、F-35,中國的殲-20以及俄羅斯的蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)。2018年3月,蘇-57在敘利亞完成了測試項(xiàng)目。新一代的戰(zhàn)斗機(jī)具有優(yōu)越的隱身性能、綜合航電系統(tǒng),更加適合現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化作戰(zhàn)環(huán)境。

        暫時沉寂的超音速客機(jī)

        ◎協(xié)和號客機(jī)

        當(dāng)然,除了軍事領(lǐng)域外,民用飛機(jī)中也不乏超音速飛機(jī)的身影。20世紀(jì)60年代,超音速戰(zhàn)斗機(jī)的巨大發(fā)展給人們創(chuàng)造了很大的想象空間,人們開始夢想坐上更加快速的超音速民航客機(jī)。1969年,蘇聯(lián)圖波列夫設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)的圖-144客機(jī)和英國、法國聯(lián)合研制的協(xié)和號客機(jī)先后進(jìn)行了超音速飛行試驗(yàn),并取得了成功。這兩型飛機(jī)也是目前世界上正式投入運(yùn)營的僅有的兩型超音速客機(jī)。而這兩型超音速客機(jī)的命運(yùn)都十分坎坷,并且都已黯然退出了歷史舞臺。

        我們先來說說圖-144吧。早在1968年的12月31日,圖-144就進(jìn)行了首飛,但那一次并沒有進(jìn)行超音速飛行。1969年6月5日,圖-144搶在協(xié)和號前面進(jìn)行了超音速試飛。試飛后,設(shè)計(jì)人員對圖-144進(jìn)行了很多調(diào)整改進(jìn),甚至在機(jī)頭后側(cè)增加了一對小鴨翼。1973年,改進(jìn)后的圖-144參加了巴黎航展,但飛機(jī)在表演過程中發(fā)生事故,當(dāng)著競爭對手協(xié)和號和30萬觀眾的面,在空中突然解體,導(dǎo)致6名機(jī)組人員和8名地面人員喪生。這使得人們對超音速客機(jī)的安全性產(chǎn)生了質(zhì)疑。1975年,圖-144開始承擔(dān)貨運(yùn)任務(wù);1977年11月開始運(yùn)營莫斯科至阿拉木圖的客運(yùn)航線。不過,據(jù)說圖-144的噪聲很大,以至于乘客無法聽到彼此說話的聲音,只能用寫字的方式進(jìn)行交流。1978年,圖-144停止了客運(yùn)飛行。1984年,圖-144停止了所有正式的商業(yè)運(yùn)營。在圖-144停止正式的商業(yè)運(yùn)營前,這型飛機(jī)一共生產(chǎn)了16架,其中包括其改進(jìn)型圖-144S和圖-144D。

        說完了命途多舛的圖-144,下面我們再來說說它的“難兄難弟”協(xié)和號。1969年3月,協(xié)和號首飛,同年10月1日完成了首次超音速飛行,1976年初正式投入商業(yè)運(yùn)營。但是和圖-144一樣,協(xié)和號也發(fā)生過非常嚴(yán)重的事故。2000年7月25日,法航的協(xié)和號客機(jī)從戴高樂機(jī)場起飛時,輪胎被金屬片刺中導(dǎo)致爆胎,輪胎碎片又擊中了油箱,最終導(dǎo)致飛機(jī)失事,造成109人遇難。這次事故對協(xié)和號來說是一次沉重的打擊。由于高昂的運(yùn)營成本、飽受質(zhì)疑的安全性以及不盡如人意的舒適度等因素,協(xié)和號也沒能逃脫停飛的命運(yùn)。2003年11月26日,協(xié)和號執(zhí)行了最后一次飛行任務(wù)后全部退役。從那時至今,在全世界范圍內(nèi),超音速客機(jī)的運(yùn)營陷入沉寂。

        總之,安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性都制約著超音速客機(jī)的發(fā)展。不過,超音速客機(jī)的前景依然廣闊。就像超音速戰(zhàn)斗機(jī)曾經(jīng)走過的發(fā)展歷程一樣,相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,在不久的將來,我們會看到更加舒適、安全的超音速客機(jī)重返云霄。

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