现代高亚声速飞机的飞行速度及设计考虑

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：正因为如此，现代高亚声速飞机的设计，通常考虑提高临界马赫数，从而增加飞机飞行速度，使得飞机飞行性能更进一步提升。飞机在超声速的区间飞行时，周围流场并无亚声速流的存在，整个流场都是超声速。

如果气流流动的速度小于声速，称之为亚声速流。如果气流流动的速度大于声速，称之为超声速流。但是飞机飞行时，流经飞机各部件的气流流速，也就是流经飞机的局部气流的速度，不一定都等于飞机的飞行速度，例如流经机翼表面的各处气流流速就不会都等于飞机飞行速度。飞机在做高亚声速飞行时，流经机翼表面局部气流的流速可能就已经超过声速，而如果气体的流速大于或等于声速，即 Ma≥1.0，气体流动特性会出现一些与亚声速气体流动在本质上的差异，也就是会有激波产生。

5.3.1 相对运动原理的概念

前面讲过，空气动力学的研究离不开相对气流，不管是气体静止而物体运动或是物体静止而气体流动，只要物体和气体之间有相对运动，就会产生空气动力。研究指出，在其他条件不变的情况下，只要相对速度相同，两者产生的空气动力就会相同。作用于飞机上空气动力的施力者是相对气流，因此为了简化理论研究，广泛地采用相对运动原理来研究飞机空中飞行时产生的空气动力问题，也就是将飞机在空中飞行时的空气动力问题，根据相对运动原理转换成相对气流流经静止飞机表面的空气动力问题，如图5-24所示。

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图5-24 相对运动原理

5.3.2 临界马赫数的概念

根据相对运动原理，飞机在空中以速度V飞行时，其产生的空气动力效应等于以同样流速V的相对气流流过静止飞机的表面。相对气流流经飞机上翼面的突起会造成流管收缩，从而导致上翼面的气流产生局部的加速，其速度会大于飞机飞行速度，如图5-25所示。

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图5-25 飞机上翼面局部气流加速

由于相对气流流经飞机机翼气流的局部加速，亚声速飞机飞行的速度虽然小于声速，但是机翼上翼面的气流仍然有可能超过声速，且因为气流上折而产生激波，所以定义飞机的飞行速度导致流经飞机机翼上翼面的局部气流达到声速时的马赫数为临界马赫数（Critical Mach number），用符号Macr表示，如图5-26所示。

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图5-26 临界马赫数

飞机飞行速度达到临界马赫数时会产生局部激波（Local shock wave），从而产生激波阻力，所以为了避免激波阻力的产生，亚声速飞机的飞行速度必须小于临界马赫数。正因为如此，现代高亚声速飞机的设计，通常考虑提高临界马赫数，从而增加飞机飞行速度，使得飞机飞行性能更进一步提升。

【例5-7】

什么是临界马赫数？请论述其代表的物理意义。此外，它与飞机的最佳巡航速度有何关系？

【解答】

（1）所谓临界马赫数是指飞机接近声速飞行时，流经飞机机翼上翼面局部气流的速度会达到声速的飞行速度，该飞行速度对应的马赫数称为临界马赫数。

（2）高亚声速飞机的马赫数到达或超过临界马赫数时，机翼上翼面的局部气流会形成局部激波，从而导致激波阻力。

（3）飞机到达临界马赫数时，流经飞机机翼的局部气流形成局部激波，从而导致激波阻力产生，在此速度下飞行会消耗大量的燃油，并且存在飞行安全和噪声问题，因此飞机的最佳巡航速度必须比临界马赫数稍低一些。

5.3.3 飞机飞行速度区间的划分

飞机的飞行速度到达临界马赫数时，会产生局部激波现象，所以为了方便研究飞行的空气动力特性，依照局部激波产生与否将飞机的飞行速度分为亚声速流、跨声速流与超声速流三个速度区间。

1．亚声速流的速度区间（0＜ Ma＜ Macr）

当飞行马赫数Ma小于临界马赫数Macr时，流经飞机表面相对气流的流速都一定小于声速，称之为亚声速流速度区间（Subsonic velocity interval）。飞机在 0～Macr内飞行周围流场不会有局部激波产生，不需要考虑声障与波阻的问题。

2．跨声速流的速度区间（Macr≤Ma≤1 .2）

当飞行马赫数Ma大于临界马赫数Macr时，流经飞机机翼的局部气流就会有局部激波产生，相对气流会同时存在着亚声速与超声速气流两种不同形态，直到飞行速度超过大约 1.2马赫（Ma）时，亚声速气流才消失，因此 Macr～1.2的范围称为跨声速流的速度区间（Transonic flow velocity interval）。因为两种流场混合，飞机在跨声速区间飞行时，机翼会产生剧烈的振动，操纵性能大大降低甚至发生过机毁人亡的惨剧。

3．超声速流的速度区间（1.2＜Ma）

飞机飞行马赫数Ma超过1.2时，相对气流都是超声速，因此 Ma＞ 1.2的速度范围称为超声速流速度区间（Supersonic velocity interval）。飞机在超声速的区间飞行时，周围流场并无亚声速流的存在，整个流场都是超声速。

5.3.4 高亚声速飞机提升飞行速度的方法

一般而言，航空界依据飞机的飞行速度将亚声速飞机定义为低速飞机和高亚声速飞机两种。如果飞机飞行速度低于 0.3 马赫（Ma），称为低速飞机（有些书定义低于 400 km/h的为低速飞机），如果飞行速度接近并略低于临界马赫数Macr时，称为高亚声速。人们从飞机发展的实践与研究中发现，当飞行速度达到临界马赫数Macr时，飞机周围流场内相对气流的流速就会达到声速，从而导致局部激波产生并造成飞行阻力陡增以及相关的飞行安全问题。如果进一步提高速度，流经机翼和机身表面的相对气流会变得非常混乱，从而使飞机产生剧烈抖动，操纵十分困难，甚至会导致飞机坠毁。所以要提升高亚声速飞机的飞行速度，必须延迟飞机达到临界马赫数Macr，也就是使得临界马赫数变得更大或者设法消除机翼上曲面的局部超声速现象。以前传统的飞机临界马赫数在 0.65左右，但是现代飞机的制造技术突飞猛进，可以用后掠翼与超临界翼型延迟达到临界马赫数或消除局部超声速现象，其原理将在后续的章节中加以说明。后掠翼与超临界翼型等技术的采用，使得现代大型客机（高亚声速飞机）的巡航速度越来越快。例如波音747，采用后掠翼的设计来提高临界马赫数，从原来传统飞机0.65左右的临界马赫数提升至约0.85，所以其可以略低于0.85马赫（Ma）的巡航速度在大气层中飞行，不仅不会产生局部激波，而且使得旅客能够享受更快速、舒适及安全的航程，如图5-27所示。

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图5-27 波音747后掠翼设计

5.3.5 超声速飞机造成的声爆现象

当飞机以超声速飞行时，机头或机身、机翼与尾翼等突出部分都会产生强烈的激波，从而引起周围空气发生急剧的压力变化。在试飞实验中，人们发现飞机做超声速飞行时，飞机各部分产生的激波会彼此干扰，然后汇集成一道包罗机头的前激波和一道尾随机尾的后激波，并向前传播至地面，而前激波与后激波间的区域是膨胀波区，如图5-28所示。在飞行高度不高的情况下，地面上的人在激波经过的瞬间会听到类似响雷或炮弹爆炸般的巨响，因此，将这种超声速飞机飞行产生激波引发的现象称为声爆（Sonic boom）。

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图5-28 超声速飞机声爆现象

声爆现象对地面影响的强弱与飞行高度和飞行马赫数有关，飞机做超声速飞行时，如果飞行马赫数越大或者飞行高度越低，声爆现象对地面造成的影响强度就越大；反之，飞行马赫数越小或者飞行高度越高，声爆现象造成的影响强度就越弱。当飞机做超声速低空飞行时，不仅地面的人畜能听到震耳欲聋的巨响，而且过强的声爆还会震碎玻璃，损坏不坚固的建筑物，造成直接的损失。飞行高度超过一定后，地面基本不会受到声爆的影响，所以飞机做超声速飞行时高度不得低于规定的高度。

5.3.6 超声速飞机形成的声爆云现象

当飞机的飞行速度超过临界马赫数，飞机机翼就会产生局部激波现象，从而产生激波阻力，导致加速困难以及机身剧烈振动等飞行障碍与飞行安全的问题，这种现象称为声障（Sound barrier）。飞机加速通过声障会有一定的概率看到机身周围如同白色纱裙一般的锥形薄雾，这个物理现象称为声爆云（Sonic boom cloud）。声爆云是与局部激波相伴而生的现象，但是它并不总是伴随着声爆而产生，同时也不是声障被突破产生的冲击波。它只是一种在某些特定的天气条件下才会产生的特殊物理现象，而且最多只能持续几秒钟，如图5-29所示。

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图5-29 超声速飞机形成的声爆云现象

声爆云只是航空界常用的一般性说法，其正式的名称应为普朗特-葛劳尔特凝结云（Prandtl-Glauert condensation clouds）。如同前面所述，其形成的原因在于气流通过激波时，由于激波后方的气流压力急剧增高，压缩周围的空气，从而使空气中的水汽凝结，并且随着气流的流动，形成了一种以飞机为中心轴，从机翼前段开始向四周均匀扩散的圆锥状云团。大部分的声爆云形成于刚好加速穿过声障速度临界的一刹那，在合适条件下，接近声速的飞机也可以产生声爆云。例如 B-52 飞机在飞行达到0.8马赫（Ma）时就可能产生声爆云。

【例5-8】

声爆与声爆云的定义如何？是否声爆云总是伴随着声爆现象而产生？

【解答】

（1）所谓声爆是指飞机做超声速飞行时，机头或机身、机翼与尾翼等突出部分都会产生强烈的激波。而在飞机做超声速低空飞行时，激波彼此之间的干扰影响传至地面从而形成一种如雷鸣的爆炸声响以及对地面产生振荡的物理现象。声爆现象对地面影响的强弱与飞行高度和飞行马赫数有关，当飞行高度超过一定后，地面基本上不会受到声爆的影响。

（2）所谓声爆云是指飞机加速超过跨声速流的速度区间时，在某些特定的天气条件下形成的锥形薄雾，其形成的原因在于当气流通过激波，由于激波后方的气流压力急剧增高，压缩周围的空气，从而使空气中的水汽凝结，并且随着气流的流动，形成了一种以飞机为中心轴、从机翼前段开始向四周均匀扩散的圆锥状云团的物理现象。

（3）声爆与声爆云都是飞机的飞行马赫数超过临界马赫数产生局部激波时相伴而生的物理现象，但是两者的形成原因与表现的物理现象均有本质上的不同，而且如果飞机的飞行马赫数太低或飞行高度太高，地面基本上不会受到声爆的影响，声爆云并不总是伴随着声爆现象而产生。

【例5-9】

高亚声速飞机飞行时是否都不可能产生声爆云现象？请论述其理由。

【解答】

（1）所谓声爆云是指飞机的飞行马赫数超过临界马赫数而产生局部激波时相伴而生的一种物理现象，当气流通过局部激波，由于激波后方气流的压力急剧增高，压缩周围的空气，从而使空气中的水汽凝结，并且随着气流的流动而形成了圆锥状云团。

（2）虽然大部分的声爆云形成于刚好加速穿过声障速度临界的一刹那，不过在合适条件下，接近声速的飞机也可以产生声爆云，例如B-52飞机在飞行马赫数到达0.8时就有可能产生声爆云，所以并非高亚声速飞机做亚声速飞行时就不可能产生声爆云的物理现象。

【例5-10】

声爆云和涡流云（Vortex cloud）的形成原因如何？

【解答】

（1）声爆云的形成原因见例5-9中相关内容。

（2）所谓涡流云是指当飞机突然大攻角飞行或急速机动飞行时，气流会从机翼上表面分离出来，形成低压脱体涡流，而在涡流内部因为高速流动形成低温区，使得水汽凝结而在机翼上翼面形成一层水雾的物理现象。

（3）声爆云和涡流云表现出的物理现象看上来很像，但是在形成原因上却有本质上的不同，不可以混为一谈。

现代高亚声速飞机的飞行速度及设计考虑

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