第五十五章一“时”千里
超音速飞机的发明
20世纪40年代中期，飞机的动力装置从活塞式发动机向喷气式发动机发展，飞机结构设计得
到重大改进。这些，使航空领域产生了一次重大的突破——飞机飞行速度超过音速。
喷气动力飞速发展
飞机在第二次世界大战的战场上，起着举足轻重的作用，而速度的大小，又直接影响了飞机
的战斗能力。当时的战斗机，最大时速在700千米左右。这个速度已经接近活塞式飞机飞行
速度的极限。例如美国的P-51D“野马”式战斗机，最大速度每小时765千米，大概是用螺旋
桨推进的活塞式战斗机中飞得最快的了。必须增加发动机推力才能进一步提高飞行速度，
但是活塞式发动机已经无能为力。
二战末期，德国研制成功Me-262和Me-163新型战斗机，投入了苏德战场作战。这两种都是
当时一般人从未见过的喷气式战斗机，前者装有2台涡轮喷气发动机，最大速度870千米/小
时，是世界上第一种实战喷气式战斗机。后者装有1台液体燃料火箭发动机，最大速度933千
米/时。
紧接着前苏联的米高扬设计局很快研制出了伊-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7 000米时，可使飞行速度达到8
25千米/时。1945年3月3日，试飞员A.п.杰耶夫驾驶伊-250完成了首飞。随后，伊-250
很快进行了小批量生产。
同样的复合动力装置也装在了苏霍伊设计局研制出的苏-3试验型截击机上，1945年4月又出
现了苏-5，速度达到800千米/时。另一种型号苏-7，除活塞式发动机，还加装了液体火箭加
速器，可在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
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
。在这种情况下，前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。
理论突破首创成果
飞机速度的提高依然困难重重。最大的拦路虎便是“音障”问题。所谓音障，是在飞机的速
度接近音速时开始产生的，这时飞机受到空气阻力急剧增加，飞机操纵上会产生奇特的反应
，严重的还将导致机毁人亡。涡轮喷气发动机的研制成功，冲破了活塞式发动机和螺旋桨给
飞机速度带来的限制，但却过不了“音障”这一关。
奥地利物理学家伊·马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验，最早发现了扰动源
在于超音速气流中产生的波阵面，即马赫波的存在。他还将飞行速度与当地音速的比值定为
赫数，简称M数。M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。
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，因此音速也不同。在标准大气压情况下，海平面音速为每小时1 227.6
米，在11 000米的高空，是每小时1 065.6千米，于是科学家采用了马赫数来表达飞行速度
接近或超过当地音速的程度。
各种形状的飞行物体，在速度接近或超过音速时，受力情况怎样?众多的空气动力学家和飞
行设计师们集中火力攻克了这个课题。
我国著名空气动力学家、中国科学院院士、北京航空航天大学名誉校长沈元教授，当时在探
索从亚音速到超音速的道路上，做出过突出的贡献。
1945年夏天，沈元以博士论文《大马赫数下绕圆柱的可压缩流动的理论探讨》通过了答辩，
在伦敦大学接受了博士学位。他的论文用速度图法，证实了高亚音速流动下，圆柱体附近极
限线的存在。他从理论上和计算结果上，证实了高亚音速流动下，圆柱体表面附近可能会出
现正常流动的局部超音速区。
这就意味着，只有在气流马赫数增加到一定数值时，圆柱体表面某处的流线，才开始出现来
回折转的尖点，这时正常流动就不复存在。这一研究结果显示了在绕物体流动(如机翼)的
高亚音速气流中，如马赫数不超过某一定值，就可能保持无激波的、含有局部超音速区的跨
音速流动。它针对
当时高速飞行接近音速时产生激波的问题，从理论上揭示出无激波跨音速绕流的可能性。
沈元的这项研究，第一次从理论计算上，得出高亚音速绕圆柱体流动的流线图，得出它的速
度分布，以及在某一临界马赫数以下，流动可以加速到超音速而不致发生激波的可能性。通
过这方面的研究，可以掌握高速气流的规律，了解飞机机体、机翼形状和产生激波阻力之间
的关系，探索是否可能让飞机在无激波的情况下接近音速，从而为设计新型高速飞机奠定理
基础。这是一项首创性的成果，对当时航空科学在高亚音速和跨音速领域内的发展，起到了
一定的推动作用。
结构改进突破“音障”
面对重重困难，科学家们进行了无数次的研讨和实验。结果发现，超音速飞机的机体结构
同亚音速飞机大有不同：机翼必须薄得多；关键因素是厚弦比，即机翼厚度与翼弦(机翼前
至后缘的距离)的比率。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1
/20或更小，机翼的最大厚度可能只有十几厘米。而亚音速的活塞式飞机的厚弦比大概是17%
。
超音速飞机的设计师必须设计出新型机翼。这种机翼的翼展(即机翼两端的距离)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，是把超音速机翼做得又薄又
短，可以不用后掠角。另一个办法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。
美国对超音速飞机的研究，集中在贝尔X-1型“空中火箭”式超音速火箭动力研究机上。X-1
机的翼型很薄，没有后掠角。它的动力采用液体火箭发动机。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飞机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”重轰炸机的机身下，飞到高空后，再把X-1飞机投
放下去。X-1飞机离开轰炸机后，在滑翔飞行中，再开动自己的火箭发动机加速飞行。
1946年12月9日，X-1飞机第一次在空中开动其火箭动力试飞。
1947年10月14日，美国空军的试飞员查尔
斯·耶格尔上尉驾驶X-1飞机完成人类航空史上这项创举，耶格尔从而成为世界上第一个飞
得比声音更快的人。耶格尔驾驶X-1飞机在12 800米的高空，使飞行速度达到1078千米/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。以美国和前苏联为代表，
各国在竞创速度记录方面展开了竞争。
和平之鸽展翅高飞
历史在发展，社会在前进。随着世界大战的结束和国际关系的缓和，超音速飞行技术也越来
越多地应用于各种非军事性其他方面，如英、法联合研制的“协和”式超音速旅客机，就已
经在
飞越大西洋的航线上营运了十几年，能以最大巡航速度M2.04飞行。前苏联也研制生产了图-
144型超音速旅客机，但由于技术问题，只在航线上飞行了一段时间，便从客运市场上退出
。美国、前苏联还曾经分别研制出超音速的轰炸机。1997年10月15日，英国设计师研制的超
音速汽车，首次实现了陆地行车超过音速的创举。
展望未来，超音速飞机将载着人类，以超音的速度，飞向和平的彼岸和幸福的明天。
