提高飞机的速度为何这么难

提高飞机的速度为何这么难
作者：刘树田
来源：《中学科技》2009年第05期
白飞机诞生以来，飞得更快更好就成了飞机设计师们的永恒追求。

莱特兄弟的第一架飞机上天的时候，飞行速度还不及刘翔跑得快。

到100多年后的今天，飞机的“子孙后代”到底能飞多快呢?在2005年6月，美国航空航天局试飞了代号为“X-43A”的新型无人飞机，该飞机的最高设计时速将达到音速的10倍，也就是10马赫!可惜在试验中，当飞机的速度达到9.6马赫时，由于助推器失灵而坠落太平洋。

X-43A虽然首飞失败，但却创造了飞行速度的新纪录，同时也告诉人们，提高飞机速度很难。

提高飞机的速度为什么这么难?这正是本文要讨论的问题。

总的说来，提高飞机的飞行速度，要克服三大障碍。

克服阻力
任何物体在空气中运动，都要受到空气的阻力。

空气动力学研究表明，空气对飞行物的阻力跟物体的速度、迎风面积和空气的密度有关。

对于确定的物体，如果速度不大，阻力与速度的一次方成正比；在速度较大时，阻力则跟速度的平方成正比。

飞机显然属于高速运动的飞行器，它受到的空气阻力可以近似表达为：f=1/2pcsv2计算。

式中c为空气阻力系数、p为空气密度、s为物体迎风面积、v为飞机运动速度。

上式为飞机设计师提供了减小阻力的理论依据。

要减小阻力必须要减小飞机的迎风面积，因此所有飞机的外形都设计成了流线型；速度对阻力影响虽然很大，但却不能用减小速度来减小阻力，因为这与人们的目标相悖。

要飞机在速度很大的情况下克服阻力前进。

就需要功率很大的发动机。

匀速飞行时，飞机的动力与阻力大小相等，因为我们仅讨论阻力跟速度的关系，所以将上式简化为f=kv2，再根据功率公式P=fv，发动机的功率为：p=fv=kv3。

这个结果能告诉我们什么呢?那就是如果想把飞机速度提高到原来的2倍，发动机的功率就要提到原来的8倍!这是很不容易做到的。

洞穿声障
我们知道，早期的飞机都是用螺旋桨作推进器的，这种飞机可以达到每小时700多千米的速度。

这个速度已经让很多飞鸟望尘莫及了，但是人们还是不满足，还想与声音一比快慢。

声音在空气的速度大约为1200千米，时。

飞机能不能追上声音呢?为了达到这一目的，人们设计了一种新式的飞机，这种飞机不用螺旋桨推进，而是靠向后喷射大量高压气体产生的反冲力向前飞行，这就是大家熟知的喷气式飞机。

第一架喷气式飞机经过不断改进，速度竟可以达到975千米，时。

就在人们对超过音速充满信心的时候，意想不到的悲剧发生了。

当试飞的喷气式飞机速度继续增大时，突然发生了一声雷鸣般的巨响，正在飞行的飞机瞬间被炸得粉碎，仿佛撞上了一座大山似的。

以后又连续发生了几起类似的爆炸事件。

飞机设计师、工程师和物理学家对这件事故做了深入的调查研究，终于找到令飞机解体的元凶——声障。

什么是声障呢?原来一切物体，包括飞机，在空气中运动时，都会给前面的空气以一定的压力，使物体前面的空气被压缩，被压缩的空气密度变大，从而形成一堵肉眼看不见的“墙壁”，这堵“空气墙”就是声障。

物体运动速度越大，这堵“墙”越坚固，对飞机的威胁也就越大。

“空气墙”实际上是飞机运动激发的机械波，也叫激波。

由于这堵“墙”总是以声音的速度往前跑的，只要在低于声音的速度范围内运动，就不可能追上它。

所以你不必担心在奔跑时遇到声障，除非你跑得比声波快。

但对于一架想要超音速飞行的飞机来讲，碰上“空气墙”就是必然的了。

前面发生的那些惨案，都是“空气墙”惹的祸!
声障能不能克服?难道人类制造的飞机甘心永远落后于声音吗?不，科学家找到一种办法，把飞机的外形改一下，把机身做成纺锤状，两头尖、中间粗，再把飞机的两只翅膀尽量朝后，飞机就可以像利剑一样顺利地穿透“空气墙”了。

现在，一些先进的喷气式飞机的速度能达到声速的2倍、3倍甚至更大。

在这场与声波赛跑的竞赛中，人类赢了。

战胜热障
飞机洞穿声障后，并非速度就可以无限提高了，还有一道障碍等着人们虫战胜，那就是热障。

飞机速度如果达到2马赫，飞机附近会出现气动加热现象。

气动加热现象就是飞机运动激发的激波与机体问的强烈压缩和刷烈摩擦，使得飞机表面的温度急剧上升。

试验表明，当飞机速度为2马赫时，机头处的温度略超过100℃；而速度达到3马赫时，飞行器表面的温度则升至350℃左右。

气动加热会使飞行器结构的机械强度下降，从而产生可怕的形变，同时引起飞行器内部温度升高，使舱内工作研境恶化。

航空界把飞行器遭遇的这种·岛温情况称之为“热障”。

无疑，热障对飞行安全构成了巨大的威胁，这是人类必须克服的。

一般把马赫数2.5作为“热障”的界线，低于该值，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，如用耐高温的刚或钛合金制造飞机的蒙皮和框架等。

宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，马赫数更高，它们的外表温度可达1000℃以
上。

为保证其不被烧毁，飞船和返回式卫星的头部得包上一层烧蚀材料，让它在高温时烧掉，以吸收并散发气动加热时产生的内能。