聊聊超聲速

邢強(qiáng)

1971年3月，盡管時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)尼克松表現(xiàn)出了極力支持發(fā)展超聲速客機(jī)的意愿，但是參議院還是否決了追加投資的提案。無(wú)數(shù)航空愛(ài)好者的呼吁以及已經(jīng)湊出的高達(dá)100萬(wàn)美元的捐款也沒(méi)能挽救美國(guó)的超聲速客機(jī)項(xiàng)目。

人類對(duì)速度的追求似乎是與生俱來(lái)且永無(wú)止境的。從蹣跚學(xué)步時(shí)無(wú)懼摔倒的奔跑，到仰望天空時(shí)，那股想要像鳥(niǎo)兒一樣飛翔的渴望，再到在那星空之下，遨游太虛的種種幻想，都在詮釋速度本身的浪漫和冒險(xiǎn)的屬性。

自從人類能夠借助飛行器上天以來(lái)，對(duì)速度的渴求更是表現(xiàn)得淋漓盡致。1947年10月14日，美國(guó)空軍剛剛成立一個(gè)多月。耶格爾上校就駕駛著以他的妻子命名的“迷人的葛蘭妮”號(hào)貝爾X-1試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了超聲速飛行。這架以火箭為動(dòng)力的試驗(yàn)機(jī)從一架改裝之后的B-29轟炸機(jī)的機(jī)腹下掙脫出來(lái)，達(dá)到了1.06馬赫的速度。隨之而來(lái)的，是人們對(duì)空氣和聲音的重新認(rèn)識(shí)。超聲速產(chǎn)生了諸多平時(shí)難以見(jiàn)到的物理現(xiàn)象，比如空氣密度的變化、升力阻力特性的突變等。通常來(lái)說(shuō)，聲音在空氣中的速度為343.2米/秒（1 236千米/小時(shí)），也有人用更為簡(jiǎn)化的340米/秒。但實(shí)際上，聲速是隨著環(huán)境的不同而變化的。比如，在0℃的海平面上，聲速約為331.5米/秒，到了標(biāo)準(zhǔn)大氣的一萬(wàn)米高空，聲速會(huì)變?yōu)?95米/秒?？傮w來(lái)說(shuō)，空氣的溫度每升高1℃，聲速就會(huì)增加0.607米/秒。當(dāng)飛行器的速度超過(guò)聲速時(shí)，前面的空氣來(lái)不及躲開(kāi)，會(huì)被逐漸壓縮形成叫做“激波”的薄層。在薄層兩側(cè)，空氣的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生急劇的變化。

后來(lái)，設(shè)計(jì)師掌握了超聲速飛行器的設(shè)計(jì)方法來(lái)應(yīng)付激波來(lái)帶的阻力，一系列超聲速戰(zhàn)斗機(jī)相繼問(wèn)世。再后來(lái)，超聲速技術(shù)便開(kāi)始惠及民眾了。1976年，協(xié)和客機(jī)投入運(yùn)營(yíng)，主要用于執(zhí)行從倫敦希思羅機(jī)場(chǎng)和巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)往返于紐約肯尼迪機(jī)場(chǎng)的跨大西洋定期航線。她能夠在15 000米的高空以2.02倍聲速巡航，從巴黎飛到紐約只需約3小時(shí)20分鐘，比普通民航客機(jī)節(jié)省超過(guò)一半時(shí)間。1996年2月7日，協(xié)和飛機(jī)從倫敦飛抵紐約僅耗時(shí)2小時(shí)52分鐘59秒，創(chuàng)下了航班飛行的最快紀(jì)錄。但是，經(jīng)濟(jì)性和噪聲問(wèn)題始終困擾著優(yōu)雅的協(xié)和客機(jī)。2003年11月26日，協(xié)和執(zhí)飛了最后一次飛行后，至今世界上仍沒(méi)有后續(xù)的超聲速客機(jī)能夠載客飛行。

人類何時(shí)能夠重返超聲速民航時(shí)代？或許只有在認(rèn)真解決了音爆問(wèn)題之后才行。在水面上，快艇的速度比其產(chǎn)生的水波的速度要快，因此會(huì)形成一個(gè)以快艇為尖端的三角形波紋。在空中，當(dāng)飛行器的速度超過(guò)聲音速度的時(shí)候，則會(huì)形成錐狀的激波。從波紋傳播的原理上，造成音爆的錐狀激波和拍擊岸邊的水波有些許相似。但是，水波是可見(jiàn)的，而激波往往難以被肉眼直接觀察到。早些年，人們?cè)诔曀亠L(fēng)洞中布置的煙霧發(fā)生器、干涉儀、高速攝像機(jī)、強(qiáng)光源等設(shè)備記錄了工程技術(shù)人員讓激波變得可見(jiàn)的種種嘗試。如今，NASA掌握了新的技術(shù)手段，讓激波能夠展示在“光天化日之下”。他們借助了一個(gè)強(qiáng)大的光源——太陽(yáng)。在測(cè)試過(guò)程中，一架T-38C教練機(jī)在莫哈維沙漠上空進(jìn)行超聲速飛行。高速攝影設(shè)備捕捉到了飛機(jī)在掠過(guò)太陽(yáng)時(shí)以太陽(yáng)為背景的原始畫(huà)面。在經(jīng)過(guò)最新的圖像處理算法的加工后，一副可由肉眼直接判讀的激波紋影結(jié)構(gòu)的圖像便呈現(xiàn)了出來(lái)。這樣的畫(huà)面宣告了人類對(duì)超聲速激波的觀測(cè)脫離了風(fēng)洞的束縛。而這些畫(huà)面會(huì)被提供給研究音爆的科學(xué)家，以便幫助他們提出減少音爆的設(shè)計(jì)建議。

遙想當(dāng)年夸父逐日的壯舉，人類如今重返超聲速民航時(shí)代的努力，居然也是從凝視太陽(yáng)開(kāi)始的呢。