冲刺超音速:超音速推进号

　　1946年10月，英国人德•哈维兰决定挑战飞行极速，他驾驶着与父亲共同设计的DH-108喷气战斗机，很快飞到了1200千米/时的速度，这已经非常接近标准条件下的音速（折合1224千米/时）。父子二人欣喜若狂，一个月后再次试飞冲刺超音速，结果飞机凌空爆炸，机毁人亡。
　　导致哈维兰丧生的罪魁祸首是谁？不完全是燃油泄漏，也不完全是飞机强度不足，而是一面已经困扰航空界几十年的墙――音障。那么音障是怎么一回事？它与飞行速度又有什么关系？这就要从航空竞速说起。
　　
　　超音速拦路虎
　　
　　从莱特兄弟发明飞机到1914~1918年一战期间，飞机极速不过100千米/时上下，但战争已经广泛验证的是，在以机枪机炮为武器的年代，飞机的速度越高，先行开火的优势越大，追击和撤退时也就更有胜算，速度成为飞机的核心指标。
　　一战结束后，由于和平主义思潮影响，各国展示航空工业成就时都有意避免谈及武器，着重强调飞行速度，由此诞生了一系列竞速飞机，提速手段五花八门：增强发动机性能，改善飞机外形和表面的流线程度，降低摩擦阻力，减轻结构重量……在一战到二战之间的20年内，飞机极速提高了近5倍，还由竞赛机改进出英国“喷火”、加拿大“蚊”式、美国P-47“雷电”等一系列二战名机。
　　但人们提升飞行速度的努力很快遇到了瓶颈。英国“喷火”和美国P-51“野马”战斗机的最大平飞速度达到600千米/时左右，俯冲时速度可以进一步增大，但此时飞机会发生剧烈抖动，甚至令驾驶员难以控制。据遇险生还的飞行员报告：“仿佛有一只巨手在摇晃飞机，什么控制都失效了。”美国1939年试飞的P-38“闪电”战斗机最大飞行速度超过了670千米/时，但也发现只要飞机俯冲加速，立即难以控制，连续损失数名试飞员。以致设计师不得不为机体安装减速板，大量飞机回厂改装，对二战初期战局造成了很大的消极影响。经过长期的航空实践，人们总结出：当飞机速度接近所在高度的音速时（音速又称声速，也就是声音传播的速度），飞机就会出现“反常”――飞行员会感到飞机遇到了强大的障碍，严重抑制飞机进一步提高速度。
　　德国科学家马赫最早以子弹为载体，研究了该现象，指出物体在空气中飞行时，前端会压缩空气，使其呈波动状态，该波动以音速传播。如果物体的飞行速度接近音速（通常为音速的0.7~0.8），引发的空气波动就无法及时传出，使得空气在物体前方堆积，最终形成“激波”，这就是进一步提升飞行速度的主要阻力源，被形象地称为“音障”。人们为了纪念马赫的研究发现，将物体飞行速度与音速的比值称为“马赫数”，该数小于1为“亚音速”，大于1为“超音速”。
　　尽管发现并以理论解释了音障，挑战超音速的努力仍然时常伴随着鲜血而受挫，一时间超音速变成了很多人心中的禁忌，甚至有人提出：“音障就像一堵实体的墙，可以让任何企图冲撞的家伙粉身碎骨！”但很多航空爱好者和科研人员却不信“邪”，继续坚持着探索之路。
　　
　　梦想成真
　　
　　美国航空技术研究机构“航空咨询委员会”设计了一架以火箭为动力的飞机，命名为X-1，机体材料为钢制。由于火箭发动机作用时间短，X-1由B-29轰炸机悬挂带到空中，然后让B-29抛下，此时X-1启动火箭发动机，目标是“在音障上打出一个洞来”。光荣承担“打洞”重任的是24岁的试飞员查尔斯•耶格尔，之前在美军飞行时数超过1100小时，在飞行试验中心飞过25种机型，还从事过飞机维修，具备较好的工程学知识。
　　1947年10月14日早晨，耶格尔由妻子驾车到爱德华空军基地，原来他前两天休假时骑马摔伤了胳膊，却向领导隐瞒了信息，以免自己停飞，导致试飞计划可能耽搁，这于公于私“绝对不可容忍”。
　　上午8时，耶格尔看着X-1被挂到B-29炸弹舱下，登上B-29升空。当天试飞计划是马赫数0.97，但耶格尔之前已经飞过8次X-1，逐渐熟悉了该机的高速特性，而且估算出X-1设计强度足够，私下决定直闯音障。
　　B-29到达试验高度和空域，耶格尔从狭窄的通道进入X-1座舱，强忍住胳膊和肋下疼痛，向B-29飞行员发出脱离请求。B-29在6000米高度抛下X-1，下降一段距离后，耶格尔启动火箭发动机的4个燃烧室，以马赫数0.92爬升到13000米高度，将X-1改平飞，再打开1个发动机燃烧室，加速到马赫数0.96平稳飞行。X-1座舱内的马赫表最大刻度只有1，然而随着X-1继续加速，指针没有缓慢地跟随。突然，指针颤动偏离出刻度……
　　这时我们要计算一下。前文总结音障规律时有一句“飞机速度接近所在高度的音速”，特别强调高度，是因为音速不仅根据传播介质的差别而不同（通常固体中音速大于液体中音速，进一步大于气体中音速，真空中声音无法传播，音速为零），而且即便是在地球大气环境中，音速也随着空气密度的不同而改变：在所谓标准条件下，即1个标准大气压和15摄氏度（正常海平面温度）下，音速为340.4米/秒。这主要根据一个在干燥空气中的经验公式：音速u=331.3+(0.606c)（单位：米/秒，c即气温，摄氏度单位)。潮湿空气中的音速略有增加，但增幅微弱，大多数场合（尤其早期飞机的机械控制和测量手段不够精确）可以忽略不计。而海拔每升高1000米，气温随之下降6.5摄氏度。根据这个规律，我们就可以计算出X-1在13000米高度平飞时，附近气温约为零下69.5摄氏度（15-13×6.5）。假定美国试验期间通过精确监控天气状况，排除了湿度干扰，那么根据前述干燥空气中的音速经验公式，在13000米高度的音速值就约为289.2米/秒（331.3-0.606×69.5），折合1041.12千米/时。
　　耶格尔立刻向地面报告异常现象，地面观察站的人却心存疑虑：“不是幻觉吧？”正在这时，空中传来一声震耳欲聋的爆鸣，地面不少人不假思索地抱怨：“不是说天气很好吗？怎么打雷……”话没说完，突然激动狂叫。原来，这是X-1突破音障时发出的“音爆”，当堆积在飞机前方的空气聚集的能量高度集中时，能量随声波传递到人耳内，就会感到类似爆炸的轰鸣，这是在地球上第一次由飞机发出！事后处理数据表明，耶格尔驾驶X-1的最大速度达到了1114千米/时，大致相当于该高度马赫数1.07，持续了20分钟。
　　
　　后记
　　
　　带伤飞行的耶格尔成为超音速第一人，之后美国航空工业继续努力，到1964年就升空了火箭推进的X-15试验机，速度达到马赫数7。以后更高的速度在技术上依旧可能，但考虑到经济性、实用性等因素，大气层内航空领域不再将超高速作为研究重点，不过X-37B空天飞机等又将超高速研究向航天领域推进，可见冲刺极限速度仍然是人类的不懈追求。
　　（摘编自《翼海撷英――航空趣闻轶事》）