超音速飛行，又稱“超聲速飛行”，是指飛行器以馬赫數(shù)1.2以上速度的飛行；通俗的說，超音速飛行是指飛行物飛行速度超過音速（約為每秒鐘340米）。實(shí)現(xiàn)超音速飛行首先需要突破音障，由于在近音速段空氣可壓縮效應(yīng)上升，會(huì)出現(xiàn)激波和波阻等一系列新的空氣現(xiàn)象，波阻是實(shí)現(xiàn)超音速飛行的特大障礙，因此也被成為音障。隨著空氣動(dòng)力學(xué)的研究和發(fā)展，科學(xué)家設(shè)計(jì)了后掠翼、三角翼飛機(jī)、超臨界翼型和蜂腰狀機(jī)身等新的機(jī)體，搭配噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)飛行速度很大（馬赫數(shù)超過2.5）時(shí)，由于氣體分子的摩擦，造成氣動(dòng)加熱，使機(jī)體表面溫度升高，現(xiàn)在通用的鋁合金材料不能承受，馬赫數(shù)超過2.5的航空器要使用鈦合金或其他耐熱合金結(jié)構(gòu)材料。高超音速飛機(jī)主要采用超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其屬于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)類型。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣道、燃燒室、推進(jìn)噴管三部分組成，結(jié)構(gòu)比渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)更為簡單。沖壓是利用迎面氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后減速、提高靜壓的過程，該過程不需要高速旋轉(zhuǎn)的、復(fù)雜的壓氣機(jī)。超音速飛行會(huì)產(chǎn)生音爆現(xiàn)象，其引發(fā)的強(qiáng)力噪聲可能對(duì)地面建筑物和人體健康造成影響，因此許多國家禁止在居民區(qū)上空進(jìn)行超音速飛行。1947年10月14日，貝爾系統(tǒng)研制的X—1火箭試驗(yàn)機(jī)在12800米的高空飛行速度達(dá)到1078公里/小時(shí)，M=1.1015，人類首次突破音障且成功進(jìn)行水平超音速飛行。
發(fā)展歷史
發(fā)展歷程
20世紀(jì)30年代以前，飛機(jī)都以亞音速飛行，理論研究的主要是不可壓縮空氣動(dòng)力學(xué)。由于飛行速度不高，忽略了空氣的可壓縮性，產(chǎn)生的誤差不大。20世紀(jì)30年代末，高速飛機(jī)在俯沖時(shí)已接近音速，還多次發(fā)生機(jī)毀人亡的重大事故。而空氣動(dòng)力學(xué)研究考慮到了空氣的可壓縮性，實(shí)現(xiàn)了高速乃至超音速，進(jìn)一步研究了各類飛行器在不同速度范圍內(nèi)的氣動(dòng)特性，將空氣動(dòng)力學(xué)研究內(nèi)容從力擴(kuò)展到熱、光和電磁等效應(yīng)。這些研究成果對(duì)突破高速飛行器的音障和熱障起了決定性的作用。
突破音障既需要更大的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，也需要提高機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)還需要改進(jìn)飛機(jī)氣動(dòng)外形。1935年，德國的空氣動(dòng)力學(xué)家A.布斯曼 (AdolBusemann，1901 ~1986)首次提出完整的后掠翼思想，認(rèn)為這種外形有利于降低阻力，提高飛行速度。德國于1939年9月6日批準(zhǔn)了“跨音速飛機(jī)”的專利。在戰(zhàn)爭(zhēng)年代，德國幾家薩博集團(tuán)同有關(guān)研究單位合作，積累了一批高速空氣動(dòng)力學(xué)和后掠翼試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
由于采用后掠翼以及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步完善，誕生了第一代實(shí)用超音速飛機(jī)。1947年10月14日，由著名試飛員中國電器股份有限公司查克·葉格 (Charles Elwood Yeager，1923~ ) 駕駛，X-1首次成功地進(jìn)行了水平超速飛行，達(dá)到每小時(shí)1078千米，約為音速的1.015倍(1.015馬赫)，首次突破了音障。英國格洛斯特公司1945年11月7日試飛了種創(chuàng)紀(jì)錄噴氣式飛機(jī)"流星”F4，最大速度達(dá)到969.6千米/時(shí)。德·哈維蘭公司研制的DH-108后掠翼飛機(jī)目的是向音速沖擊，1948年9月6日，J.H.戴雷 (John Doulas Derry，1921 1953) 駕駛一架DH-108在30俯沖角下超過了音速，達(dá)到1.04赫。蘇聯(lián)米高揚(yáng)設(shè)計(jì)局研制的試驗(yàn)機(jī)I-350在1951年5月也實(shí)現(xiàn)了水平超音速飛行。
1952年，美國科學(xué)家、蘭利中心工程師R.T.惠特科姆(Richard T.Whitcomb，1921 ~ 2009)提出了面積率思想。具體的應(yīng)用是縮小機(jī)翼、尾翼與機(jī)身連接區(qū)的機(jī)身最大橫截面積，形成蜂腰狀機(jī)身，可使超音速波阻大大降低。面積率對(duì)飛機(jī)順利突破音障起到重要作用。1952年5月27日，蘇聯(lián)試飛成功實(shí)用超音速戰(zhàn)斗機(jī)米格-19戰(zhàn)斗機(jī) (圖49) 。1953年5月25日，美國北美人航空F-100“超級(jí)佩刀”戰(zhàn)斗機(jī)飛行速度達(dá)到1220千米/時(shí)，也突破了音障。1953年，試飛員道格拉斯駕駛著“流星煙火”號(hào)飛機(jī)，在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭的雙重推力下，首次以音速2倍以上的速度飛行。只要突破M=1，就不會(huì)再有音障存在。
20世紀(jì)50年代以后空氣動(dòng)力學(xué)家針對(duì)高亞音速和超音速飛機(jī)的翼型進(jìn)行了大量卓有成效的研究。1967年，惠特科姆首次提出了一種新的翼剖面形狀一一超臨界翼型。超臨界機(jī)翼推遲激波來臨、降低波阻的效果往往比后掠翼更加有效。它能使飛機(jī)在0.95馬赫時(shí)仍無激波產(chǎn)生，低速和跨音速升力特性較好，因而被廣泛采用。
應(yīng)用歷程
國際
俄羅斯的飛機(jī)設(shè)計(jì)及制造商米高揚(yáng)設(shè)計(jì)局為了研制米格-19戰(zhàn)斗機(jī)，先行制造了架驗(yàn)證機(jī)1-360，它于1952年5月進(jìn)行了首次試飛。經(jīng)過大量改進(jìn)的米格-19戰(zhàn)斗機(jī)原型機(jī)首飛日期是1953年9月18日。而美國北美人航空研制的F-100原型機(jī)YF-100A已于1953年5月25日完成首次飛行。美國的F-100和蘇聯(lián)的米格-19兩種超音速戰(zhàn)斗機(jī)究竟誰先誰后，一直存在爭(zhēng)議。航空技術(shù)在發(fā)展到20世紀(jì)后，已經(jīng)發(fā)展到第四代超音速戰(zhàn)斗機(jī)了，采用新型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)推重比達(dá)10以上，廣泛采用電傳操縱系統(tǒng)和主動(dòng)控制技術(shù)，自動(dòng)化程度更高。在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上，通過采用近耦合鴨翼、翼身融合體等保證較高的機(jī)動(dòng)能力。
20世紀(jì)60年代曾出現(xiàn)研制超音速客機(jī)的潮流，英國、法國、美國和蘇聯(lián)都曾制定了型號(hào)研制計(jì)劃。1968年12月31日，蘇聯(lián)首次試飛了超音速民航機(jī)一一圖波列夫公司圖-144。由于技術(shù)問題突出，事故不斷。1973年6月3日，圖-144在參加巴黎中國國航展覽進(jìn)行表演時(shí)，突然墜毀，機(jī)上人員全部遇難。直到1977年11月1日才投入使用，后又因事故停飛。80年代中期以后，它主要用于飛行試驗(yàn)和飛行員訓(xùn)練。圖-144只生產(chǎn)了14架。英法海底隧道合作研制的協(xié)和號(hào)超音速客機(jī)計(jì)劃起源于20世紀(jì)50年代，1969年4月9日進(jìn)行了首次試飛。1971年底和1972年初兩架生產(chǎn)型也交付并投入試飛。1976年1月，協(xié)和號(hào)投入航線飛行 。協(xié)和號(hào)共生產(chǎn)了20架，英國航空公司和法國航空各運(yùn)營7架。超音速客機(jī)耗油多、噪聲大、載客量小、環(huán)境污染高、航程短，限制了它的發(fā)展和使用。
美國航空航天局于1990年啟動(dòng)了“高速民用運(yùn)輸機(jī)”計(jì)劃（High Speed Civil Transport，HSCT），以改進(jìn)超音速客機(jī)設(shè)計(jì)為目標(biāo)。1994年4月，法國宇航、英國宇航及德國戴姆勒－克萊斯勒公司宇航（梅賽德斯-奔馳集團(tuán)Chrysler Aerospace）成立了“歐洲超音速研究計(jì)劃”（European Supersonic Research Program ，ESRP），研發(fā)第二代的協(xié)和式客機(jī)，并計(jì)劃于2010年投入服務(wù)，飛機(jī)被稱為“未來超音速客機(jī)”。2000年5月25日，一架法國航空協(xié)和式飛機(jī)在起飛后不久墜毀，導(dǎo)致113人死亡。2003年5月，英航和法國同時(shí)停止了協(xié)和號(hào)的飛行 。
在2014年成立的美國Boom Supersonic研發(fā)名為Overture的超音速客機(jī)，并計(jì)劃于2019年推出1:3比例原型機(jī)XB-1。Aerion公司于2016年起與空中客車公司、美國航空航天局(美國航空航天局)共同打造世界首款超音速公務(wù)機(jī)AS2，該機(jī)的最大載客量為12人，專屬超音速層流技術(shù)，最高時(shí)速為1.5馬赫，在0.95馬赫的巡航速度下達(dá)到4750海里的最大航程。2022年，美國科羅拉多州的Boom Supersonic公司開發(fā)的新型環(huán)保客機(jī)“序列號(hào)”（Overture）公開設(shè)計(jì)并成立超級(jí)工廠，超音速飛機(jī)“序列號(hào)”將于2024年投入生產(chǎn)，2026年首航。洛克希德·馬丁公司為美國航空航天局 (NASA)設(shè)計(jì)了一架名為“綠色超音波”的飛機(jī)該項(xiàng)目是NASA研究2035年實(shí)現(xiàn)空中旅行的一部分，NASA計(jì)劃于2035年正式將該飛機(jī)用于航空運(yùn)輸。
中國
TF一6為我國第一種超音速 (1.22倍音速 )高教機(jī) ，該機(jī) 1966年開始研制，由沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司在 F 6基礎(chǔ)上改型設(shè)計(jì)。 要用于培iJlIF-6飛機(jī)的飛行員，也可以用來培訓(xùn)其他音速飛機(jī)飛行員，或執(zhí)行其他雙座飛行任務(wù)。1970年 l1月進(jìn)行了首次試飛，1973年12月定型并投入批生產(chǎn) ，至 1986年共生產(chǎn) 634架。TF一6最大平飛速度 (高度 5000米 )1320千米 ／ 小時(shí)，1.22倍音速 (高度 l1000米 )。
FT一7為我國第二種超音速 (2.05倍音速 )高級(jí)戰(zhàn)斗/教練機(jī) ，由中國貴州航空工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研制生產(chǎn)。1985年 7月首次試飛成功 ，F(xiàn)T一7型飛機(jī)尺寸小 、重量輕 ，具有較好的機(jī)動(dòng)性 。最大推力 4400公斤，加力推力 6100公斤 ；最大速 度為 2.05 倍音速。
JL 一9教練機(jī)前機(jī)身與 FT一7不同，安裝了 2個(gè)側(cè)面進(jìn)氣口，并有分隔板以防吸入異物 。 JL 一9教練機(jī)與 FT一7教練機(jī)相比，飛機(jī)的三角翼飛機(jī)被新型雙三角翼設(shè)計(jì)所代替 (無襟翼)。這種機(jī)翼由于減小了外翼的機(jī)翼前緣后掠角 (由 57°減少至 42°)并延長了翼展 ，使機(jī)翼面積增加 了 8．17％；展弦 比增加 了 27％，有利于提高機(jī)動(dòng)性，同時(shí)還可提高起飛及降落性能。
按照美國“四代”劃分法，中國的超音速戰(zhàn)斗機(jī)也已經(jīng)發(fā)展到第四代，具體劃代：
相關(guān)概念
音速
指聲音在空氣中傳播的速度。音速受高度變化影響，如：在地平線，音速約為1224公里/小時(shí)。在航空上，通常用M(即恩斯特·馬赫)來表示音速，M=1即為音速的1倍；M=2即為音速的2倍。音速是溫度的函數(shù)，在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15攝氏度條件下約為每秒鐘340米。馬赫是超高速單位，物體運(yùn)動(dòng)的速度與音速的比值為馬赫或馬赫數(shù)。亞音速指速度小于1馬赫。超音速指速度在1至5馬赫間，高超音速指速度在5馬赫以上。
馬赫
是物體運(yùn)動(dòng)速度與聲速的比值，1929年瑞士空氣動(dòng)力學(xué)家J.阿克萊特(Jakob Ackeret，1898 ~1981)首先把這個(gè)比值稱為馬赫，紀(jì)念奧地利力學(xué)家和利奧六世E.W.J.w.恩斯特·馬赫對(duì)這一比值的發(fā)現(xiàn)。
激波
當(dāng)飛行速度接近音速時(shí)，由于空氣擾動(dòng)會(huì)出現(xiàn)積累現(xiàn)象，從而形成高密度的空氣波面，這就是激波。由奧地利力學(xué)家和哲學(xué)家E.WJ.W.恩斯特·馬赫在空氣動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)物體在氣體中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生。
波組
激波對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生一種新的阻力一一激波阻力(簡稱波阻)，波阻是空氣來不及散開而壓縮，致使空氣濕度、密度加大，阻力增強(qiáng)，影響飛行速度提升；波阻是超音速飛機(jī)必須克服的特別阻力，也被稱為音障。
首位超音速人
2012年10月14日，奧地利極限跳傘運(yùn)動(dòng)員菲利克斯·鮑姆加特納在美國新墨西哥州上空39045米高空縱身跳下，成為人類史上從太空跳向地球的第一人，也開創(chuàng)了人類無助力飛行超音速的紀(jì)錄。在整個(gè)“自由落體”過程中，最大的危險(xiǎn)是鮑姆加特納要防止在超音速俯沖過程中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)暈厥。2012年3月和7月，他曾在羅斯韋爾進(jìn)行兩次試跳，2012年7月的試跳高度約2.9萬米，僅比喬·基廷杰（平流層跳傘之父）1960年創(chuàng)造的世界紀(jì)錄低1800多米。而84歲的基廷杰擔(dān)任菲利克斯·鮑姆加特納此次活動(dòng)的顧問。2012年10月9日，因風(fēng)速太大，他在羅斯韋爾地區(qū)進(jìn)行的一次3.7萬米高空極限跳傘活動(dòng)被迫取消。
創(chuàng)下人類紀(jì)錄
據(jù)國際航空聯(lián)合會(huì)專家透露，菲利克斯·鮑姆加特納成為人類史上第一個(gè)無助力飛行超音速的人，同時(shí)創(chuàng)下了氣球載人飛行最高紀(jì)錄和世界最高跳傘紀(jì)錄。費(fèi)利克斯·鮑姆加特納創(chuàng)下了三項(xiàng)人類紀(jì)錄是：1.人類無助力超音速飛機(jī)紀(jì)錄，該高度的音速為每小時(shí)約1100公里，而他的速度為每小時(shí)1342.8公里，相當(dāng)于該區(qū)域音速的1.24倍。2.載人氣球最高飛行紀(jì)錄，他以39045米打破了由美國海軍軍官羅斯和普拉澤在1961年創(chuàng)造的34668米紀(jì)錄。3.最高自由落體起跳紀(jì)錄，2012年以前的紀(jì)錄是31333米，由美國飛行員約瑟夫·基廷格在1960年創(chuàng)造。而他的起跳線高出了7000多米。
參考資料 >
[科普中國]-超音速飛行.科普中國網(wǎng).2023-11-14
世界最快客機(jī)已被預(yù)定，人類超音速航行追夢(mèng)繼續(xù).澎湃新聞.2022-08-16
空氣動(dòng)力學(xué)史.中國大百科全書.2023-11-14
世界航空史.中國大百科全書.2023-11-14
超音速戰(zhàn)斗機(jī).中國大百科全書.2023-11-14
超音速客機(jī).科普中國網(wǎng).2023-11-14
盤點(diǎn):中國殲系戰(zhàn)機(jī)大全，從殲1到殲31.澎湃新聞.2023-11-17
太空縱身一躍 鮑姆加特納成為超音速第一人(組圖).搜狐網(wǎng).2023-11-16
鮑姆加特納3.7萬米極限跳傘因風(fēng)取消.搜狐新聞.2023-11-16