八年级物理上册2.1我们怎样听见声音知识拓展：超音速时代素材新版粤教沪版

超音速时代第二次世界大战后期，战斗机的最大速度，已超过每小时700公里．要进一步提高速度，就碰到所谓“音障”问题．声音在空气中传播的速度，受空气温度的影响，数值是有变化的．飞行高度不同，大气温度会随着高度而变化，因此当地音速也不同．在国际标准大气情况下，海平面音速为每小时1227.6公里，在l1000米的高空，是每小时1065.6公里．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，局部时速可能出700公里大得多．当飞机再飞快一些，局部气流的速度可能就达到音速，产生局部激波，从而使气动阻力剧增．这种“音障”，曾使高速战斗机飞行员们深感迷惑．每当他们的飞机接近音速时，飞机操纵上都产生奇特的反应，处置不当就会机毁人亡．第二次世界大战后期，英国的"喷火"式战斗机和美国的"雷电"式战斗机，在接近音速的高速飞行时，最早感觉到空气的压缩性效应．也就是说，在高速飞行的飞机前部．由于局部激波的产生，空气受到压缩，阻力急剧增加．"喷火"式飞机用最大功率俯冲时，速度可达音速的十分之九．这样快的速度，已足以使飞机感受到空气的压缩效应．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/小时的战升机，已经接近活塞式飞机飞行速度的极限．例如美国的P-5lD"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升机中，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．航空科学家们认识到，要向音速冲击，必须使用全新的航空发动机，也就是喷气式发动机．二战末期，德国研制成功Me-163和Me-262新型战斗机，投入了苏德前线作战．这两种都是当时一般人从未见过的喷气式战斗机，具有后掠形机翼．前者装有1台液体燃料火箭发动机，速度为933公里/小时；后者装2台涡轮喷气发动机，最大速度870公里\n/小时，是世界上第一种实战喷气式战斗机．它们的速度虽然显著超过对手的活塞式战斗机，但是由于数量稀少，又不够灵活，它们的参战，对挽救法西斯德国失败的命运，实际上没有起什么作用．德国喷气式飞机的出现，促使前反法西斯各国加快了研制本国喷气式战斗机的步伐．英国的"流星"式战斗机很快也飞上蓝天，苏联的著名飞机设计局，例如米高扬、拉沃奇金、苏霍伊和雅科夫列夫等飞机设计局，都相继着手研制能与德国新式战斗机相匹敌的飞机．米高扬设计局研制出了伊-250试验型高速战斗机，它采用复合动力装置，由一台活塞式发动机和一台冲压喷气发动机组成．在高度7000米时，这种发动机产生的总功率为2800马力，可使飞行速度达到825公里/小时．1945年3月3日，试飞员杰耶夫驾驶伊-250完成了首飞．伊250在苏联战斗机中，是飞行速度率先达到825公里/小时的第一种飞机．它进行了小批量生产．苏霍伊设计局研制出苏-5试验型截击机，也采用了复合动力装置．1945年4月，苏-5速度达到800公里/小时．另一种型号苏-7，除活塞式发动机外，还加装了液体火箭加速器（推力300公斤），可短时间提高飞行速度．拉沃奇金和雅科夫列夫设计的战斗机，也安装了液体火箭加速器．但是，用液体火箭加速器来提高飞行速度的办法并不可靠，其燃料和氧化剂仅够使用几分钟；而且具有腐蚀性的硝酸氧化剂，使用起来也十分麻烦，甚至会发生发动机爆炸事故．试飞员拉斯托尔古耶夫，就在一次火箭助推加速器爆炸事故中以身殉职．在这种情况下，苏联航空界中止了液体火箭加速器在飞机上的使用，全力发展涡轮喷气发动机．涡轮喷气发动机的研制成功，冲破了活塞式发动机和螺旋浆给飞机速度带来的限制．不过，尽管有了新型的动力装置，在向音速迈进的道路上，也是障碍重重．当时，人们在实践中发现，在飞行速度达到音速的十分之九，即马赫数MO.9空中时速约950公里时，出现的局部激波会使阻力迅速增大．要进一步提高速度，就需要发动机有更大的推力．更严重的是，激波能使流经机翼和机身表面的气流，变得非常紊乱，从而使飞机剧烈抖动，操纵十分困难．同时，机翼会下沉、机头往下栽；如果这时飞机正在爬升，机身会突然自动上仰．这些讨厌的症状，都可能导致飞机坠毁．\n空气动力学家和飞机设计师们密切合作．进行了一系列飞行试验，结果表明：要进一步提高飞行速度，飞机必须采用新的空气动力外形，例如后掠形机翼要设法减薄．前苏联中央茹科夫斯基流体动力研究所的专家们，曾对后掠翼和后掠翼飞机的配置型式，进行了大量的理论研究和风洞试验．由奥斯托斯拉夫斯基领导进行的试验中，曾用飞机在高空投放装有固体火箭加速器的模型小飞机．模型从飞机上投下后，在滑翔下落过程中，火箭加速器点火，使模型飞机的速度超过音速．专家们据此探索超音速飞行的规律性．苏联飞行研究所还进行了一系列研究，了解在空气可压缩性和气动弹性作用增大下，高速飞机所具有的空气动力特性．这些基础研究，对超音速飞机的诞生，都起到了重要作用．美国对超音速飞机的研究，主要集中在贝尔X-1型“空中火箭”式超音速火箭动力研究机上．研制X-l最初的意图，是想制造出一架飞行速度略微超过音速的飞机．X-l飞机的翼型很薄，没有后掠角．它采用液体火箭发动机做动力．由于飞机上所能携带的火箭燃料数量有限，火箭发动机工作的时间很短，因此不能用X-1自己的动力从跑道上起飞，而需要把它挂在一架B-29型“超级堡垒”重型轰炸机的机身下，升入天空．飞行员在升空之前．已经在X-l的座舱内坐好．轰炸机飞到高空后，象投炸弹那样，把X-l投放开去．X-l离开轰炸机后，在滑翔飞行中，再开动自己的火箭发动机加速飞行．X-1进行第一次空中投放试验，是在1946年1月19日；而首次在空中开动其火箭动力试飞，则要等到当年12月9日才进行，使用的是X-l的2号原型机．又过了大约一年，X-l的首次超音速飞行才获得成功．完成人类航空史上这项创举的，是美国空军的试飞员查尔斯．耶格尔上尉．他是在1947年10月14日完成的．24岁的查尔斯·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．那是一次很艰难的飞行．耶格尔驾驶X-l在12800米的高空，使飞行速度达到1078公里/小时，相当于M1.015．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．美国空军和海军在竞创速度记录方面展开了竞争．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．有趣的是，X-l型和D.558-II型，都被称为“空中火箭”．D.558-II也是以火箭发动机为动力，由试飞员威廉·布里奇曼驾驶．8天之后，布里奇曼驾驶这架研究机，飞达22721米的高度，使他成为当时不但飞得最快，而且飞得最高的人．接着，在1953年，“空中火箭”的飞行速度，又超过了M2.0，约合2172公里/小时．\n人们通过理论研究和一系列研究机的飞行实践，包括付出了血的代价，终于掌握了超音速飞行的规律．高速飞行研究的成果，首先被用于军事上，各国竞相研制超音速战斗机．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超过音速的战斗机；很快，1958年F-104和米格-21又将这一记录提高到了M2.0．尽管这些数据都是在飞机高空中加力全开的短时间才能达到，但人们对追求这一瞬间的辉煌还是乐此不疲．将“高空高速”这一情结发挥到极致的是两种“双三”飞机，米格-25和SR-71，它们的升限高达30000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．随着近年来实战得到的经验，“高空高速”并不适用，这股热潮才逐渐冷却．超音速飞机的机体结构，同亚音速飞机相当不同：机翼必须薄得多；关键因素是宽高比，即机翼厚度与翼弦的比率．以亚音速的活塞式飞机来说，轰炸机的宽高比为17％，歼击机是14％；但对超音速飞机来说，厚弦比就很难超过5％，即机翼厚度只有翼弦的二十分之一或更小，机翼的最大厚度可能只有十几个厘米．超音速飞机的翼展（即机翼两端的使离）不能太大，而是趋向于较宽较短，翼弦增大．设计师们想出的办法之一，是将机翼做成三角形，前缘的后掠角较大，翼根很长，从机头到机尾同机身相接（如幻影-2000）．另一个办法，把超音速机翼做得又薄又短，可以不用后掠角（如F-104）．由上可以知道，根据一架飞机的外形，我们就基本上可以判断出它是超音速还是亚音速的飞机了．