《物理异想》课程论文 电子信息与电气工程学院 计算机科学与工程系 F1003031 夏元防 5100309874
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超音速飞行的昨天、今天与明天 美国海军“蓝天使”飞行表演队的一架F-18在水面上超低空超音速飞行，激波在水面留下一条航 迹，这要是地面，单薄一点的房子都可能被震倒 视频在此：http:l.youku.com/v_show/id_XMjE3NjY4NTIw.html “十大超低空飞行”排名第一（大陆的P才能看哦！） 自从莱特兄弟制造出了人类史上第一架飞机，人们一直梦想着飞得更高更 快。在1942年，英国的迈尔斯飞机公司开始设计人类史上第一架超音速飞机。 由于战事紧张，英国政府下令将所有设计数据移交给美国，贝尔飞机公司接手 之后将其命名为X-1,X-1实验机于1947年10月14日在Chuck Yeager 操纵下首次在平飞中突破音速。 历史上首次在平飞中突破音障的有人驾驶飞机Bel山X-1 Chuck Yeager(耶格尔) 人们很早就知道光有强大的推力是无法实现超音速飞行的。物体以接近音 速飞行时对前方空气产生压缩，形成的压力波以音速传播。亚音速飞行时，压 力波跑在飞机前面，在一定程度上起到把前方空气推开的作用；但以音速飞行
超音速飞行的昨天、今天与明天 美国海军 蓝天使 飞行表演队的一架 “ ” F-18 在水面上超低空超音速飞行，激波在水面留下一条航 迹，这要是地面，单薄一点的房子都可能被震倒 视频在此：http://v.youku.com/v_show/id_XMjE3NjY4NTIw.html “ ” 十大超低空飞行 排名第一（大陆的 IP 才能看哦！） 自从莱特兄弟制造出了人类史上第一架飞机，人们一直梦想着飞得更高更 快。在 1942 年，英国的迈尔斯飞机公司开始设计人类史上第一架超音速飞机。 由于战事紧张，英国政府下令将所有设计数据移交给美国，贝尔飞机公司接手 之后将其命名为 X-1，X-1 实验机于 1947 年 10 月 14 日在 Chuck Yeager 操纵下首次在平飞中突破音速。 历史上首次在平飞中突破音障的有人驾驶飞机 Bell X-1 Chuck Yeager(耶格尔) 人们很早就知道光有强大的推力是无法实现超音速飞行的。物体以接近音 速飞行时对前方空气产生压缩，形成的压力波以音速传播。亚音速飞行时，压 力波跑在飞机前面，在一定程度上起到把前方空气推开的作用；但以音速飞行
时，前方的压力波会叠在一起使阻力急剧增加至亚音速时的3倍，这就是“音 障”。 Pressure Waves Shock Wave Supersonic in Subsonic Flight at Mach One Shock Cone 随着飞机速度的增加，飞机对前方空气压缩形成的压力波不断被压紧，在音速的时候被压到 一起，阻力急剧增加。超过音速后，飞机把压力波甩到身后，阻力反而减小 Tho“Sound Barrie' Due to wave drag coefficient 标平票年一 -Drag divergence Mach number 1.0 Mach number 阻力在音速达到最高 当速度继续增加至1.2倍音速以上时，飞机“跑”到压力波前面去了，这时 的速度是原来的一倍，阻力却只增加30-50%。这样看来，音速显然是一道坎， 跨过去了，超音速阻力反而下降。 为了减小跨音速激波阻力的影响，NASA物理学家Richard Whitcombe 于1955年提出跨音速面积率-为了避免跨音速时额外的阻力，飞行器沿前进 轴线的截面积应该均匀改变，这就是著名的跨音速面积率，也是超音速飞机“蜂 腰"的来源。在运用了超音速面积率后，战斗机的最大速度从Mach1提升到了 Mach2甚至Mach3,超音速飞行再也不是一件困难的事情
时，前方的压力波会叠在一起使阻力急剧增加至亚音速时的 3 倍，这就是 音“ 障 。” 随着飞机速度的增加，飞机对前方空气压缩形成的压力波不断被压紧，在音速的时候被压到 一起，阻力急剧增加。超过音速后，飞机把压力波甩到身后，阻力反而减小 阻力在音速达到最高 当速度继续增加至 1.2 倍音速以上时，飞机 跑 到压力波前面去了，这时 “ ” 的速度是原来的一倍，阻力却只增加 30-50%。这样看来，音速显然是一道坎， 跨过去了，超音速阻力反而下降。 为了减小跨音速激波阻力的影响， NASA 物理学家 Richard Whitcombe 于 1955 年提出跨音速面积率--为了避免跨音速时额外的阻力，飞行器沿前进 轴线的截面积应该均匀改变，这就是著名的跨音速面积率，也是超音速飞机“蜂 腰”的来源。在运用了超音速面积率后，战斗机的最大速度从 Mach1 提升到了 Mach2 甚至 Mach3， 超音速飞行再也不是一件困难的事情
"Supersonic area rule"(M 1.0) Cross-section Cross-section area area Smoother area progression Lower maximum cross-section wing Wing Fuselage Fuselage 左为不用面积律设计的气动外形，右为利用面积律设计的气动外形，注意其特征性的“蜂腰” Indent fuselage Bulges at rear- at wing Ideal Actual Ideal Actual Nose Body station Tail Nose Body station Tail (a)YF-102A before area ruling.(b)F-102A after area ruling. YF102战斗机在用面积律修行之前（左）和之后（右），修形后的YF102轻松突破了音速，最大 空速Mach1.25 请参见F-l02的研发史http:len.wikipedia.org/wiki/Convair F-l02 Delta_Dagger
左为不用面积律设计的气动外形，右为利用面积律设计的气动外形，注意其特征性的“ ” 蜂腰 YF102 战斗机在用面积律修行之前（左）和之后（右）,修形后的 YF102 轻松突破了音速，最大 空速 Mach 1.25 请参见 F-102 的研发史 http://en.wikipedia.org/wiki/Convair_F-102_Delta_Dagger
人类史上第一架M2一级的战斗机-F-104 Upload to AFWing.com plauded DefeaceTalk.com 著名的MiG-25一史上第一种实用M3一级的战斗轰炸机 关于MiG-25的趣闻：1971年秋，第四次中东战争爆发前夕，MiG-25的侦察型跑到以色列上 空猛拍照片，恨得牙痒的以色列空军派当时以空军中最好的机种美国「-4鬼怪式上去企图拦截。 却见那MG-25尾部喷出红烟两道，加力燃烧室一阵轰鸣即绝尘而去，把吃了满嘴灰的F-4远远 撇在后面。以色列地面场站的看着仪器的记录目瞪口呆，乖乖，能飞马赫3.2的家伙 随着科技的发展，60年代初，英国布里斯托尔飞机公司和法国南方飞机公 司分别提出超音速客机的方案，在欧洲合作的大潮之下，两家公司的方案合并 为“协和”式计划一著名的“协和”式客机诞生了
人类史上第一架 M2 一级的战斗机—F-104 著名的 MiG-25—史上第一种实用 M3 一级的战斗轰炸机 关于 MiG-25 的趣闻：1971 年秋，第四次中东战争爆发前夕，MiG-25 的侦察型跑到以色列上 空猛拍照片，恨得牙痒的以色列空军派当时以空军中最好的机种美国 F-4 鬼怪式上去企图拦截。 却见那 MiG-25 尾部喷出红烟两道，加力燃烧室一阵轰鸣即绝尘而去，把吃了满嘴灰的 F-4 远远 撇在后面。以色列地面场站的看着仪器的记录目瞪口呆，乖乖，能飞马赫 3.2 的家伙 随着科技的发展，60 年代初，英国布里斯托尔飞机公司和法国南方飞机公 司分别提出超音速客机的方案，在欧洲合作的大潮之下，两家公司的方案合并 为“ ” — “ ” 协和 式计划 著名的 协和 式客机诞生了
协和式客机 OAPG Photography 然而，当协和式客机正在准备进入航班服务的时候，却正好一头撞上了公 众的反对，73年的石油危机成为压断骆驼脊背的最后一坨巨石，各国航空公司 本来争先恐后下的订单，一夜之间全挥发了。14架生产型协和式中，只有9 架是“按标价”由政府补贴出售给英国和法国的国营航空公司的，剩下的5架全 是以1英镑或1法郎的象征性价格无偿转让的。在惨淡经营近30年后，协和 式遇上911和Gonesse的空难，最后于2003年9月退出航班服务，所有 剩下的飞机都散失到各地的博物馆去了
协和式客机 然而，当协和式客机正在准备进入航班服务的时候，却正好一头撞上了公 众的反对，73 年的石油危机成为压断骆驼脊背的最后一坨巨石，各国航空公司 本来争先恐后下的订单，一夜之间全挥发了。14 架生产型协和式中，只有 9 架是“ ” 按标价 由政府补贴出售给英国和法国的国营航空公司的，剩下的 5 架全 是以 1 英镑或 1 法郎的象征性价格无偿转让的。在惨淡经营近 30 年后，协和 式遇上 911 和 Gonesse 的空难，最后于 2003 年 9 月退出航班服务，所有 剩下的飞机都散失到各地的博物馆去了
Gonesse空难对超音速客机来说是灾难性的 人类的超音速之梦并没有就此挥之而去。虽然各种实际因素冷却了人们对 投资发展超音速客机的热情，但这不妨碍人们对更快的高超音速客机的探索。 M5的高超音速客机可以一个半小时就从温哥华飞到上海，M25的高超音速客 机在20分钟就可以从夏威夷飞到佛罗里达。高超音速在军事上的吸引力自然 更大，几乎可以用洲际导弹同等的飞行时间，在30分钟内攻击世界上任一目 标，这当然没有把地面准备、起飞、加速的时间算进去。（从字面上说，超过 音速就可以叫超音速，但M0.8-1.2之间的空气动力性质十分特殊，以至于有 一个专门名称：跨音速。一般认为，M1.2以上才称为超音速。但是，速度达 到M5左右时，空气动力性质再次发生重大变化，M5以上的速度一般称为高 超音速。) 高超音速的空气热动力学和材料方面的挑战不说，飞行动力是一个极大的 挑战，实现M3以上超音速飞行就需要用到冲压发动机，而要实现M5以上的 高超音速飞行，就需要用到超音速冲压发动机
Gonesse 空难对超音速客机来说是灾难性的 人类的超音速之梦并没有就此挥之而去。虽然各种 实际因素冷却了人们对 投资发展超音速客机的热情，但这不妨碍人们对更快的高超音速客机的探索。 M5 的高超音速客机可以一个半小时就从温哥华飞到上海，M25 的高超音速客 机在 20 分钟就可以从夏威夷飞到佛罗里达。高超音速在军事上的吸引力自然 更大，几乎可以用洲际导弹同等的飞行时间，在 30 分钟内攻击世界上任一目 标，这当然没有把地面准备、起飞、加速的时间算进去。（从字面上说，超过 音速就可以叫超音速，但 M0.8-1.2 之间的空气动力性质十分特殊，以至于有 一个专门名称：跨音速。一般认为，M1.2 以上才称为超音速。但是，速度达 到 M5 左右时，空气动力性质再次发生重大变化，M5 以上的速度一般称为高 超音速。） 高超音速的空气热动力学和材料方面的挑战不说，飞行动力是一个极大的 挑战，实现 M3 以上超音速飞行就需要用到冲压发动机，而要实现 M5 以上的 高超音速飞行，就需要用到超音速冲压发动机
HyShot是第一个成功地实现净推力的超燃冲压发动机 超音速冲压发动机，顾名思义就是燃烧在超音速下进行的冲压发动机。超 音速燃烧和亚音速燃烧，虽然只有一字之差，其性质却有本质的不同。超音速 燃烧只给燃烧室极短的时间完成燃料和空气的混合、火焰的形成和扩散，控制 非常困难，而且工作范围非常狭窄，进气必须保持在一个特定的熵，否则燃烧 无法保持，所以超燃冲压发动机在任一特定高度时，只有一个特定的速度可以 保持其正常工作。 一般来说，超燃冲压发动机必须在M5以上的气流速度中才能工作，这使得 地面研究非常困难。超燃冲压发动机的研究仍然高度保密，公开的细节很少。 俄罗斯在92年就和法国合作试验过超燃冲压发动机，但没有产生净推力。美 国化费了2.5亿美元的巨资研制超燃冲压发动机推进的X-43，它的速度达到 M7以上，巡航高度3万米以上，用B-52携带到空中投放，然后用助推器加 速，直到超燃冲压点火。2004年3月，X-43试飞成功，超燃冲压发动机工 作了10秒钟，达到七倍音速，成为世界上最快的飞机。2004年11月，又 一架X-43再次打破纪录，速度达到9.6倍音速
HyShot 是第一个成功地实现净推力的超燃冲压发动机 超音速冲压发动机，顾名思义就是燃烧在超音速下进行的冲压发动机。 超 音速燃烧和亚音速燃烧，虽然只有一字之差，其性质却有本质的不同。超音速 燃烧只给燃烧室极短的时间完成燃料和空气的混合、火焰的形成和扩散，控制 非常困难，而且工作范围非常狭窄，进气必须保持在一个特定的熵，否则燃烧 无法保持，所以超燃冲压发动机在任一特定高度时，只有一个特定的速度可以 保持其正常工作。 一般来说，超燃冲压发动机必须在 M5 以上的气流速度中才能工作，这使得 地面研究非常困难。超燃冲压发动机的研究仍然高度保密，公开的细节很少。 俄罗斯在 92 年就和法国合作试验过超燃冲压发动机，但没有产生净推力。美 国化费了 2.5 亿美元的巨资研制超燃冲压发动机推进的 X-43 ，它的速度达到 M7 以上，巡航高度 3 万米以上，用 B-52 携带到空中投放，然后用助推器加 速，直到超燃冲压点火。2004 年 3 月， X-43 试飞成功，超燃冲压发动机工 作了 10 秒钟，达到七倍音速，成为世界上最快的飞机。2004 年 11 月 ，又 一架 X-43 再次打破纪录，速度达到 9.6 倍音速
U.S.AIR X-43在B-52的机翼下，X-43只是“飞马”(Pegasus)火箭助推器尖端的黑黑的小东西 这是真家伙 NASA X43 NASA至今没有公布X43在飞行中的真实图片，大概有太多的机密可以从图里看到，所以公众 只能看这个想象图
X-43 在 B-52 的机翼下，X-43 只是 飞“ ” 马 （Pegasus）火箭助推器尖端的黑黑的小东西 这是真家伙 NASA 至今没有公布 X-43 在飞行中的真实图片，大概有太多的机密可以从图里看到，所以公众 只能看这个想象图
动力只是超音速飞行的难题之一，关键的“音爆”问题还是没有解决，民用 超音速飞行依然难以发展，安静和经济的超音速客机的实现，最终有待种种先 进技术走出纸面，这一天还没有到来。尽管军用飞机超音速飞行已经50多年 了，协和式和图-144也曾经展翅蓝天，但对于大多数人来说，比声音还快， 至今仍然只是一个梦想。 老兵不死，他们只是慢慢逝去
动力只是超音速飞行的难题之一， 关键的 音“ ” 爆 问题还是没有解决，民用 超音速飞行依然难以发展，安静和经济的超音速客机的实现，最终有待种种先 进技术走出纸面，这一天还没有到来。尽管军用飞机超音速飞行已经 50 多年 了，协和式和图-144 也曾经展翅蓝天，但对于大多数 人来说，比声音还快， 至今仍然只是一个梦想。 老兵不死,他们只是慢慢逝去