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飞行器运行的“三大障碍”:音障 热障 黑障
2016-07-20   民航资源网 审核人:   (点击: )

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飞机突破音障的绚丽瞬间

  从航空器到航天器,从军用机到民航机,当飞行器的飞行速度接近音速或超过音速的一定倍数时,飞行器飞行会引起或遇到一系列不正常的现象,给飞行器造成不同程度的“障碍”,严重时可导致飞行器损毁事故,这就是飞行器运行的“三大障碍”——音障、热障和黑障。

  

    音障

  音障是40年代后期出现的一个名词。1945年6月,英国试飞DH-106“燕子”时,因飞机速度接近音速,造成机身破裂,机毁人亡。事故发生后,英国的一个科学家说:“音速像是面前的一堵障碍墙。”于是,“音障”这个术语诞生并流行开来。

  音障也叫“声障”,是飞机接近音速飞行时引起的一系列不正常现象,如飞机阻力剧增,升力减小,螺旋桨效率下降,机体强烈振动,操纵失灵等。

  声音在空气中传播的速度,由于受空气温度的影响,数值是有变化的。而大气温度会随着高度而变化,因此不同飞行高度下音速也不同。在国际标准大气情况下,海平面音速为1227.6公里/小时,在11000米的高空,是1065.6公里/小时。时速700多公里的飞机,迎面气流在流过机体表面的时候,由于表面各处的形状不同,局部时速可能远超出700公里。

  为了更好地表达飞行速度接近或超过当地音速的程度,科学家采用了一个反映飞行速度的重要参数:马赫数。它是飞行速度与当地音速的比值,简称M数。M数是以奥地利物理学家伊·马赫的姓氏命名的。马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验,最早发现扰动源在超音速气流中产生的波阵面,即马赫波的存在。M数小于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。

  第二次世界大战后期,飞行速度达到了650-750公里/小时的战斗机,已经接近活塞式飞机飞行速度的极限。例如美国的P-51D“野马”式战斗机,最大速度每小时765公里,大概是用螺旋桨推进的活塞式战斗机中,飞得最快的了。若要进一步提高飞行速度,必须增加发动机推力。但是活塞式发动机已经无能为力。

  “音障”究竟是一个不可逾越的障碍,还是可以突破的一道烟幕?为解开这个谜,很多科学家开始了不懈的努力。以后的研究发现,所有这些现象都是跨音速飞行时所特有的。后因改进了飞机的空气动力外形,如采用后掠翼,按面积律设计机翼-机身组合体等,并发展了大推力喷气发动机,超音速飞行随即实现。

  世界上第一架冲击音障的试验机是美国制造的X-1试验机。它设计成尖尖的机头、薄薄的机翼,干干净净的外形,结构极其结实,用4台火箭发动机作为动力。1947年10月14日,美国空军的试飞员查克·耶格尔上尉,驾驶贝尔X-1型“空中火箭”式动力研究机,在12800米的高空,使飞行速度达到1078公里/小时,相当于M1.015。24岁的查克·耶格尔从此成为世界上第一个飞得比声音更快的人,使他的名字载入航空史册。

  1965年2月,英法合作开始研发建造协和式飞机。1969年10月1日,协和飞机001进行首次超音速飞行并持续了9分钟,最高速度达到了1.5马赫;1970年11月,成功达到了2.0马赫。协和式客机采用无水平尾翼布局,机翼采用三角翼,机翼前缘为S形;共有4台涡轮喷气发动机,发动机具备了一般在超音速战斗机上才使用的加力燃烧室(后燃器)。协和式飞机的最大飞行速度可达2.04马赫,巡航高度18000米,巡航速度达到2150公里/小时。

  

    热障

  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。1951年8月7日,美国海军的道格拉斯D.558-II型“空中火箭”式研究机的速度,达到M1.88。1953年,“空中火箭”的飞行速度又超过了M2.0,约合2172公里/小时。1954年,前苏联的米格-19和美国的F-100“超佩刀”问世,这是两架最先服役的仅依靠本身喷气发动机即可在平飞中国足球协会超级联赛过音速的战斗机;很快,1958年F-104和米格-21也将这一记录提高到了M2.0。

  当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时,受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响,飞行器蒙皮的温度会随M数的提高而急剧上升。研究表明,当飞行器的飞行速度达到2倍声速时,其前端温度可达100℃;当飞行器的飞行速度达到3倍声速时,其前端温度可达350℃;已超过了铝合金的极限温度,使其强度大大削弱。此外,由空气和飞行器表面摩擦产生的热量,在超音速长时间飞行时热量急剧增加,不仅飞行员受不了,机内许多设备无法工作,飞机结构和材料也无法承受。航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障”。

  热障是飞行器作超音速飞行时,因气动加热而引起的一系列不利现象。主要包括:因飞行器本体温度升高导致材料性能下降,使结构强度和刚度降低;在结构中产生热应力,使结构应力、反应力和应变增大;过高的升温会使金属蒙皮熔化或烧毁;环境温度升高,使乘员和飞行器内设备不能正常工作。

  一般把M数2.5作为“热障”的界线,低于这一值,气动加热不严重,可用常规的方法和材料设计、制造飞机;高于该值,则必须采取克服气动加热问题的措施。为克服热障,可采用耐热材料(钛合金和不锈钢等)、加装隔热设备、安装冷却系统等,保证飞机不会因高温而损毁。

  热障的出现使空气动力学诞生了一个新的分支学科——气动热力学。它主要研究气动外形、飞行速度、边界层、大气环境等因素对飞机加热的影响,并为突破热障提供飞机外形设计引导。1956年9月27日,美国的X-2火箭飞机在试飞中首次突破了3倍音速大关,达到3.2马赫,首次突破热障,但不幸出现了事故导致坠毁。将“高空高速”这一情结发挥到极致的是两种“双3”飞机,前苏联米高扬设计局研制的米格-25战斗机和美国洛克希德企业研制的SR-71“黑鸟”战略侦察机。它们的升限高达3万米,最大速度则达到了惊人的M3.0,已经接近了喷气式发动机的极限。SR-71飞机,其机体的93%采用钛合金,因而顺利地越过了热障,创造了音速3.3倍的世界纪录。

  高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇宙的步伐,那么科学家们是如何克服热障,使航天器安全回家的呢?当宇宙飞行器遨游太空归来,到达离地面60-70km时,速度仍然保持在声速的20多倍,温度在10000℃以上,这样的高温足以把航天器化作一团烈火。即便当宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时,飞行器的飞行速度在6倍声速时,其前端温度也高达1480℃。为保证其不致被烧毁,给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成的“盔甲”,把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、汽化等一系列物理和化学变化中,“丢卒保车”就能达到保护宇宙飞行器的目的。一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象:飞船进入大气层,首先从舷窗中看到烟雾,然后出现五彩缤纷的火焰,同时发出噼噼啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧,它们牺牲了自己,把飞船内的温度始终维持在常温范围,保护飞船平安返回地面。

  作为烧蚀材料,要求汽化热大,热容量大,绝热性好,向外界辐射热量的本领强。烧蚀材料有多种,陶瓷是其中的佼佼者,而纤维补强陶瓷材料是最佳选择。近年来,研制成功了许多具有高强度、用它们制成的碳化物、氮化物复合陶瓷是优异的烧蚀材料,成为航天飞行器的不破盔甲。

  

    黑障

  黑障是发生在大气层的一种特有现象。当卫星、航天飞船、洲际导弹等空间飞行器以很高的速度再入大气层返回地球时,在一定高度和一定时间内与地面通信联络会严重失效,甚至完全中断,这就是黑障。

  黑障区大约出现在地球上空35-80km的大气层间。宇宙飞船在通过黑障时,船体外壳将达到2000摄氏度的高温,高温一是有可能会使船体框架变形,导致坠毁;二是使飞船丧失与外界的无线电联系,从而地面人员无法得知飞船的实时状况。

  黑障是怎样形成的呢?大家知道,所有飞行器返回大气层的时候,飞行速度极高,可以达到音速的十几倍到几百倍,这就使飞行器的前端形成了一个很强的激波。由于飞行器头部周围激波的压缩和大气的粘度作用,使高速飞行的动能大量转化为热能。由于气动加热,贴近飞行器表面的气体和飞行器材料表面的分子被分解和电离,形成一个等离子层。由于等离子体具有吸取和反射电磁波的能力,因此包裹飞行器的等离子体层,实际是一个等离子电磁波屏蔽层。所以当飞行器进入被等离子体包裹状态时,飞行器外的无线电信号进不到飞行器内,飞行器内的电信号也传不到飞行器外,一时间,飞行器内外失去了联系。此时,地面与飞行器之间的无线电通信便中断了。

  随着飞行器高度的下降,当速度降低到一定程度时,不再有足够的温度使气体分子电离,等离子体层解除,黑障就会消失。

  在黑障区,由于返回舱跟地面控制中心片刻失去通讯,且与大气层的摩擦会产生上千摄氏度的高温,这段期间航天员最危险。如果不采取防热措施,航天员将无法承受,返回舱结构也会受损毁。以前的航天员无防范,万一因为太空船在这里烧船就会殉职。现今的航天员必须穿着宇航服经历这个黑障区。

  黑障的范围取决于再入体的外形、材料、再入速度,以及发射信号的频率和功率等。黑障区给载人飞船再入返回时的实时通信和再入测量造成困难。从20世纪50年代起,人们就开始研究黑障及其消除方法。一方面通过设计比较理想的再入体的外形和喷洒某种消除等离子的材料来消除或减弱等离子鞘;另一方面改良通信与测量的方法和设备,以减弱黑障区的影响,例如,提高信号的频率和功率,将天线安装在等离子鞘最薄的位置等。但是这些方法只能缩短信号中断的时间,还不能完全解决再入黑障问题。另一种设想是用毫米波或激光穿透等离子鞘来解决再入通信中断问题。

 

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