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音障——難以跨越的“墻”

    在飛機提速的過程中,又一種現象被發現了。實踐中駕駛員注意到每當飛行速度增大到800千米/小時以上時,飛機就像撞上一堵無形的墻,速度就再也提不上去。這種特殊現象就是音障。

  聲音的速度為什麼和飛行速度有關聯?學過物理的人都知道聲音是靠空氣分子振動産生的波來傳播的。如果一架飛機以低於音速的速度飛行時,由它所引起的空氣分子的振動,也就是聲音以一個分子推動下一個分子的方式,以音速向四面八方形成層層波動傳播。當飛機到來時,飛機前方的空氣分子已處於運動狀態,飛機就很容易從其中穿過。但如果飛機的飛行速度和聲音的速度一樣的話,那麼位於飛機前方的空氣分子都處於靜止狀態。飛機到來時,這些空氣分子被迫移動,可這些分子前方的分子同樣也是靜止的,於是飛機前方的空氣就被一層又一層地壓縮到一起,形成一堵無形的墻。此處空氣密度增大,壓力也大,溫度也增高,在航空術語中稱其為激波。飛機如想衝破這堵墻必須耗費成倍的能量,飛機機身所使用的材料也必須更加結實和耐熱,否則飛機結構就可能遭到破壞。

  音速隨著高度和溫度的不同而變化。近地面的音速高,在高空中音速低,在溫度為l5℃的海平面上的音速為l227千米/小時,而在萬米高空,音速只有1080千米/小時。飛機研製者們還發現當飛機飛行速度接近800千米/小時的時候,雖然此時的速度遠低於音速,但活塞式飛機的螺旋槳會先折斷,機翼也會因為抵抗不了巨大的阻力而折斷。經過研究發現原來這仍然是激波在作怪。螺旋槳在正在飛行中的飛機上旋轉,雖然飛機的飛行速度並未達到音速,可是在螺旋槳上運動最快的槳尖部分,它的運動速度是飛機飛行速度與旋轉産生的速度之和,它已經超過了音速。於是在槳尖上就産生了激波,被稱為局部激波。在局部激波産生的部位就會受到巨大的阻力,這就可以解釋螺旋槳為什麼會在這種情況下斷裂。對於機翼情況也是一樣的。機翼上表面氣流流動的速度比其他部分氣流的流動速度快,當飛機飛行時,儘管其他部分尚未達到音速,可是機翼上部卻已達到了音速。由於阻力迅速增加,機翼就受到嚴重損壞甚至完全折斷。現實提出了挑戰,如果不能有效地解決局部激波,飛機的飛行速度甚至連800千米/小時也達不到。

  用噴氣發動機去掉了螺旋槳,解決了它所帶來的問題;把機翼改進為後掠翼,使在機翼上表面垂直于機翼方向的空氣流速降低了,局部激波發生的時間被推遲了,解決了機翼産生激波的問題。噴氣飛機的飛行速度提高到1000千米/小時,活塞式發動機的飛機速度則超不過600千米/小時。

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