超音速
(飞行速度)
音速就是指声音的速度,标准速度是在15℃(气温)的海平面测试声音在空气中传播的速度(在水中或其他介质中速度不同)。声音在15℃的空气中的速度是340米每秒,大约是1224千米每小时。超音速是指速度比340米每秒大的状态,小于340米每秒的速度称作亚音速,等于340米每秒的速度为穿音速,声音的速度会因为气温的不同或气压的不同,而有所不同。音速的单位叫马赫(mach),一倍音速叫1马赫,2倍就叫2马赫。
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飞行器超音速飞行的第一道门槛
这是一种飞行现象,当飞行器的飞行速度达到临界音速时发生的现象,名为
。
这个现象最早是由英国人于1945年发现的,当时英国有飞行员驾驶一架代号为“燕子”的飞机加速到临界音速时,机身突然解体坠毁。
这时,有科学家解释说这是因为声音在空气中传播靠的是对空气的反复压缩膨胀,而飞行器在飞行时前面的空气也会被飞行器压缩,但同时也会自然地以音速膨胀弹开,但当飞行器的飞行速度超过音速时,被飞行器压缩的空气因为来不及弹开(因为弹开的速度为音速),会一直在前方积累,导致飞机前面的空气密度会变得特别大,这时的飞行器就像是突然撞到了一堵墙。同时,飞行器因为前进方向空气密度的变大,动力的效果也大打折扣,因此会出现失速情况。
为了克服这一障碍,实现超音速飞行,就必须克服两个问题:
第一,飞行器前方空气密度变大,就要求必须提高飞行器机身强度,同时飞行器的头部绝对不能是钝头体,必须修改为尖锥体,用于刺破前方的高密度空气,带有螺旋桨就更不行了。
第二,飞行器前方阻力变大,这就要求引擎动力要大幅提升。
世界上第一个突破这一障碍的是美国人。1947年,由查尔斯上尉驾驶的X-1验证机首次突破这一障碍实现超音速飞行。
值得注意的是,飞行器在突破这一障碍的时候,还会发出一声短暂而极其强烈的爆炸声,这个声音名叫音爆;而当飞行器在突破这一障碍时如果空气足够湿润还会伴随出现一个以飞行器为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团奇观,名为音爆云。
飞行器超音速飞行的第二道门槛
这是飞行器超音速飞行的第二道门槛,是飞行器飞行速度到达2.5倍音速后出现的现象,名为
,第一道为飞行器临界1倍音速时出现的音障。
我们知道,飞行器在空中飞行时会与空气产生摩擦并且发热,而且飞行速度越快,发热越厉害,飞行器蒙皮温度也会随之急剧上升。
后来,飞行器工程师们在研发超音速飞行器时发现,当飞行器飞行速度超过2.5倍音速时,飞行器蒙皮温度会到达普通航空铝合金的极限温度140℃,如果想要设计飞行速度更高的飞行器,就必须更换蒙皮材料,而要找到符合耐高温同时又必须和普通航空铝材一样便宜,轻巧的材料,几乎是不可能,可以说是为后续的发展设置了一道障碍,所以称之为
。
目前,勉强符合这一标准的主要有2类材料:
一类是美国SR-71黑鸟侦察机为代表的钛合金,耐高温,轻巧,但是昂贵;
另一类则是以米格-25为代表的镍基合金钢,也就不锈钢,便宜,耐高温,但很重。
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