第八十七章 風雨兼程
“由於我們研究的項目已經超出了當前我們對大氣物理性質的了解程度，當飛行速度超過一定程度的時候，我們相信一切都有所改變，而且我們必須對這些改變加以重視，否則無法實現超音速飛行，沒有這樣的飛行能力，研究噴氣式飛機又有何用？所以我們在研究的開始，就非常重視飛行環境、飛行條件等方麵的研究。”
大氣的狀態參數是指其壓強、溫度和密度，這些參數隨著飛行高度的變化而變化，它們作用在飛機上的空氣動力大小有影響，也對飛機噴氣式發動機所產生推力大小有很大程度的影響。
每一個大氣分子都有著自己的位置、速度和能量。分子之間的聯係非常微弱，且沒有自己固定外形。然而當飛行器在這種介質中運動時，其外形尺寸遠遠大於分子的自由行程，所以研究飛行器與大氣之間的相對運動時，可將分子之間的距離看似為零，也就是說把氣體看成連續的介質。
相鄰大氣層之間相互運動時所產生的牽扯作用力，叫做大氣的內摩擦力，也叫做大氣的粘著力。這種大氣的粘性是空氣在流動中所表現出來的一種常見物理性質，而大氣流過物體時所產生的摩擦阻力恰恰與大氣粘性有關，像飛機這樣在空氣中快速運動的物體，空氣粘性作用在飛機外表麵的摩擦阻力就不再是一個可以忽略不計的小數字，必須加以重視和考慮。
氣體的可壓縮性是指氣體的壓強改變時，它的密度和體積改變的性質。一般都認為**是不可壓縮的，而氣體對這種變化的反應很大，所以認為氣體都是可壓縮的。當大氣流過飛行器表麵的時候，由於飛行器對大氣的壓縮作用，大氣壓強會產生變化，密度也隨之產生波動。當氣流的速度較小時，壓強的變化量不大，密度的變化也很小，所以研究大氣低速流動有關問題時，可以不考慮大氣的可壓縮性。而氣流速度快的時候，則應該大加考慮了。
聲速是指聲波在物體中傳播的速度，一個振動的聲源在介質中傳播時產生的疏密波，即壓縮與膨脹相間的波。人能聽到空氣中傳來的各種聲音，也就是因為空氣被壓縮和膨脹的結果。飛機在空氣中飛行時會把前進中所碰到的空氣微團推開，並把這些微團壓縮，物體繼續向前運動，被推開、壓緊的微團將膨脹開來，回到原來的位置。所以飛機飛行時，圍繞它的空氣將一直產生振動的疏密波。
聲速是考慮空氣壓縮程度的一個重要因素，聲速越大空氣就越來被壓縮。另一個因素就是飛行器的速度，運動速度越快，則施加給空氣的壓力越大，空氣被壓縮得救越厲害。將這些因素綜合起來，就是一個很特別的數學方程。
馬赫數Ma等於飛行器在一定高度的速度除以該處的聲速，馬赫數越大則表示空氣被壓縮地越厲害。當馬赫數小於等於0.4的時候，空氣壓縮性影響並不大，即可認為空氣是不可壓縮的。而當馬赫數大於0.4之後，研究飛行器的動力大小就必須考慮到空氣的可壓縮性影響，尤其是在進入跨音速飛行之後，因為壓縮性會產生一種稱之為激波的獨特流動現象，這將對飛行器的空氣動力和外形設計帶來重大影響。
“低速飛行，飛機與空氣之間的相互影響是一個漸進的過程，視空氣為不可壓縮。而高速飛行時，飛機突然來到跟前，空氣無法讓開，隻能突然地遭到強烈的壓縮，其壓力、密度和溫度都會陡然升高，相對於飛機的流速則突然降低。這種從無變化到有變化的分界麵，就叫做激波。”
“激波又分為正激波、斜激波、圓錐激波。然而在超音速飛行時，氣流因阻滯而產生激波，因膨脹而產生膨脹波。激波可以說是超音速氣流減速時通常產生的現象，膨脹波是其加速時所必然產生的現象。激波使波前、波後參數發生突躍式變化，氣流穿過，激波時受到突然的壓縮，壓強和密度溫度都升高，速度和馬赫數下降。然而膨脹波波前、波後參數發生的卻是連續性變化。”
“還有一點，激波雖然厚度很小，但氣流流過激波時，在激波內部氣體黏性引起的內摩擦卻很強烈，氣流的部分機械能會因為消耗於摩擦而變成熱能，繼而使自身溫度急劇上升，此現象稱之為氣動力加熱。但膨脹波卻沒有上述損失，這種損失類似於附麵層，因氣體黏性而讓氣體動能變為熱能，造成了動能的損失，可將這一損失所引起的阻力稱之為激波阻力，簡稱波阻。”
張宇很少過問王助他們的研究進度，他知道王助對噴氣式飛機更感興趣，肯定了解很多科恩達項目組的研究進度，不過難得有機會在中航裏逗留，強烈的好奇心還是驅使他過問起了研究進度，不過在此之前王助還悉心的為他講解了一些理論知識，估計是王助擔心張宇一會兒聽不懂，所以才說教了一番高速飛行相關知識理論。
“我想，如果不出意外，波阻出現在飛機發展的道路上，必然會成為一個巨大的、難以逾越的障礙。”
“所以我們才給它取了個特別的名字，叫聲障。”王助看了看張宇，在偌大的會議室裏此時已經隻有倆人，能說的都可以說。“其實聲障問題並不是在研究當前這個項目的時候出現的，我們當初對活塞式飛機進行研究的時候，就發現平飛時速達到了七百多之後，當飛機進入俯衝的時候，定然要接近於聲速，這時候飛機必將會產生劇烈的抖振，飛行也變得極不穩定，幾乎會讓飛行員失去對飛機的操控能力，如果飛機做的不好，會有結構遭到大破壞，甚至臨空解體的危險。”
“你不是說聲障是有飛機在飛行中所產生的激波和波阻造成的嗎？對這兩個影響因素進行研究、解決，不就突破音障這個大難題了嗎？”張宇此時真的是揣著明白裝著糊塗，對於這些後世近乎科普類知識的問題，放到現在都堪稱是高技術保密級別的東西，當然張宇是可以對這些問題發問的，不過外人可就不行了。
“剛才我們已經說到激波和波阻的產生，其實不同外形的物體在超音速條件下由於產生的激波不同，其波阻也不一樣。物體的形狀對氣流的阻滯作用越強，產生的激波越強，自然波阻就越大。”
“類似於長方形的物體，常產生脫體激波，即在距離前端一定距離的地方產生強烈的正激波，脫體激波對氣流的阻滯作用很強，因此會產生很大的波阻。而尖頭的物體，在尖頭前端常產生附體斜激波，該激波對氣流的阻滯作用就比較弱。所以物體越尖，氣流所受的阻滯越小，激波越傾斜，產生的波阻越小。所以我們對超音速飛機的機身、機翼等部分的前緣設計都應該呈尖銳狀，這樣便可減小激波強度，進而減小波阻阻力。”
“能說說你們對超音速空氣動力外形的研究成果嗎？”
“我們目前已經開始就飛機的氣動布局展開研究，在飛機幾何外形和參數上也有了一定考慮。”王助說到這兒，從自己的文件夾裏抽出了幾張紙遞給張宇，讓他邊看邊聽自己講述。“我們都知道，不同的飛機、不同的速度都有不同的氣動布局。按照機翼與機身連接位置上下來分，即可分為上單翼、中單翼、下單翼。如果按照機翼弦平麵有無上反角來分，就可分為上反翼、無上反翼、下反翼，當然按照立尾的數量來分，可分為單尾翼、雙尾翼、無立尾翼，無立尾翼時平尾變成V字尾。”
“當然，如果按照氣動布局一般是指平尾相對於機翼在縱向位置上的安排，即飛機的縱向啟動布局形式，我們有正常式、鴨式和無平尾式。不同的布局型式，對飛機的飛行性能和穩定性、操控性都有重大影響。”
“這些我還是了解一點的，飛機的幾何外形是由機身、機翼和尾翼等主要部件的外形共同組成，而其中機翼是產生升力、阻力的主要部件，機翼平麵形狀包括翼展、展弦、前後掠角。而影響飛機的氣動特性的主要參數就是前後掠角、展弦比、梢根比和翼型的相對厚度……”
“的確是這樣！”王助適時的拍一下馬屁不過他沒那個習慣繼續拍下去，指著張宇手中的一張圖紙說道：“在低速飛行中，大展弦比的平直機翼升力係數較大，誘導阻力小。在亞音速飛行中，後掠機翼可以延緩激波的產生並減弱激波的強度，繼而減小波阻。當進入超音速飛行階段後，激波已經是不可避免，可采用小展弦比、三角機翼和邊條機翼等有利於減小不足的設計。”
“為了減小超音速飛行時所產生的激波阻力，我們可以采取的機翼平麵形狀有，後掠機翼、三角形機翼、小展弦比機翼、變後掠翼機翼、邊條機翼，常采用除了正常式布局外的鴨式布局或無平尾式布局。當然，也是各有優缺點。”
“說來聽聽！”張宇放下圖紙，為王助端來一杯涼茶潤潤喉，然後又像一個小學生一樣靜靜的坐著，等候王助的解釋。
“剛才我給你說了，後掠機翼能夠提高臨界馬赫數，即便超過之後也能進一步減小波阻。但它並不是完美的，當一定速度的氣流吹過後掠翼時，會有一部分氣流將沿著機翼的方向流動，使得附層麵從翼根到翼尖逐漸變厚，並在翼尖處造成氣流分離。”
“當迎角增加到一定程度的時候，會產生翼尖失速，擴展到機翼中部和根部後，繼而造成大麵積的失速。這個過程估計將會非常之快，同時還會造成飛機的猛然抬頭，飛行變得極不穩定，以至於駕駛員會在得不到警告的情況下這些恐怖現象就已發生。當然，我們能做的就是在機翼上表麵加裝翼刀和在機翼前緣製作鋸齒或缺口，使得氣流形成漩渦或氣動翼刀，由此阻止氣流沿機翼方向上的流動。”
“機翼前後掠角的增大，後掠機翼翼根結構的受力將急劇惡化，結構重量也會增加。且低速時的空氣動力特性也將惡化，使得飛機的升力下降阻力增加，因此在飛行馬赫數達到二的時候，機翼有效速度小於一，明顯隻能采用三角形機翼。”
“三角形機翼和大後掠角基本相似，具有前緣後掠角大、展弦比小和相對厚度小的特點，翼根部分比較長，在相對厚度不變的情況下，有助於增加翼根處的相對厚度，繼而改善根部的受力狀況和減輕結構重量。機翼結構高度不變，降低機翼相對厚度以降低波阻。”
“三角形機翼的空氣動力性能很好，機翼的焦點位置從跨聲速飛行島超音速變化，比其他平麵的機翼變化量都要小，有助於保證飛機的橫向穩定性。但是在亞音速飛行時升阻比較低，巡航特性不好。在大迎角飛行時才能獲得足夠的升力係數，在著陸時為了不妨礙駕駛員向下的視野，機頭注定不能抬得太高，飛機的迎角不能太大，所以三角形機翼的飛機著陸性能肯定很差。”
“所以，超音速飛機采用小展弦比、大後掠翼機翼，後掠角度大可以降低波阻，對超音速飛行有利，但卻有因為展弦比和翼展都很小，低速飛行性能差，起飛和著陸距離都很長的缺點。所以往後走，飛機在高速與低速之間的性能要求是很矛盾的。變後掠翼可以很好的解決該問題，起飛和著陸的時候采用較小的後掠角，展弦比最大有利於低速巡航經濟性和較大的起飛著陸升力。超音速飛行時，采用較大的後掠角度，機翼展弦比隨之下降，有利於減小飛行阻力。但很明顯，這樣的飛機注定結構複雜，氣動中心變化大了之後，光是平衡問題就夠折騰了。”
“為了解決超音速高速飛行和低速飛行的矛盾，最好的途徑就是采用邊條機翼。它應該由邊條和後翼兩部分組成。由於有大後掠的邊條，使得整個機翼的有效後掠角度增大，減小激波阻力。而有基本翼的存在，整個機翼的有效展弦比增大，減小低亞聲速飛行以及跨聲速飛行時的誘導阻力。可以說比較完美的解決了高低速兼優的困難，當然如何確定出好的有邊條機翼設計，這將是一項非常困難的工程。”
“鴨式飛機其實就是將水平尾翼移到了機翼之前，由於水平尾翼位於重心之前，在正常迎角飛行時，鴨翼將產生正的升力以保持飛機的平衡，所以它對全機升力的貢獻是有積極作用的。而在大迎角飛行時，鴨翼前緣產生的脫體漩渦，在沿著機翼上表麵向後流動時，會產生類似於邊條翼的有利幹擾，使得機翼的升力增大，對改善飛機的起降性能非常有利。超音速飛行要想實現短距離起降的設計要求，采用鴨式布局是很有必要的。”
“無尾式布局飛機的機身和機翼都將比較細長，機翼麵積較大，飛機重心靠後，采用無尾式布局可以減小平尾部件所產生的阻力，飛機的俯仰操作通過機翼後緣的升降副翼實現，當左右機翼上的升降副翼同時向上或向下時，即可產生俯仰操作力矩，起到升降舵的作用。當左右機翼上的升降副翼向相反方向偏轉時，產生橫向操作力矩起到副翼的作用。這種飛機外形結構簡單，但卻有著操控性困難的問題……”
王助顯然還不知道，他所說的最後一種布局也就是無尾式飛機，其實就是後世隱形飛機的氣動布局，而鴨式布局飛機和邊條機翼飛機，都是後世戰鬥機氣動布局的經典，另一個時空的航空大國美利堅，他們的F－14戰鬥機就是變後掠翼式飛機，F－16飛機就是邊條機翼式飛機，當然共和國的J－10和瑞典的JA－37飛機就是鴨式布局。當然這些先進的設計理念和部分圖紙，都已經被張宇剽竊到了王助的資料庫裏，此時王助給張宇看的一些圖紙就是他們詳細研究之後，結合自身情況作出的一些成果。
“這張圖上的設計挺不錯的啊！采用相對厚度小的對稱翼型，最大厚度位置靠近翼弦中間，翼型前緣曲率半徑就小了，翼剖麵外形輪廓變化比較平緩，直接有利於提高馬赫臨界數，延緩激波的產生。即便超過了臨界後，翼剖麵在較大的超音速情況下，機翼前緣所形成的也是斜激波，有利於減小波阻。”
“是啊，這是天才般的設計。波阻較小的翼型有雙弧形、菱形、楔形和雙菱形，研究證明翼型的相對厚度的確與波阻有密切關係，波阻大致與相對厚度的平方成正比，厚度增加兩倍，則波阻增加四倍。采用相對厚度比較小的一定是翼型發展的必然趨勢，但我們還沒有那個技術手段確定應該取多大的相對厚度。就像剛才我所說的那些機翼樣式一樣，說起來簡單，真要是把理論化為了實際圖紙，光是各種數據的計算量，咱們就可以勞心費神……”
“這問題我可解決不了，航空事業本來就是一項巨大的係統性工程，我知道光是確定一個設計是否合理，那需要計算的東西就抵得上統計局一年的工作量。你們有沒有想過…”張宇說到這兒，示意讓王助在靠近一點。“我說你們有沒有想發明一種計算機器，輔助你們解決這些龐大的計算問題，甚至是幫助你們設計飛機、用數據模擬代替繁瑣的實驗驗證……”
“你說的是機械式計算機？這玩意兒幫助做些純計算問題還行，人工輔助設計，我看還不是咱們這會兒就能實現的！”王助說著直搖頭，看來他是的確被那些繁星一樣雜亂的數據苦惱很久了，如果真有辦法解決這些問題，他們也不會三四個月才弄出些臆想圖。
“那照你這麽說，這些圖紙上的超音速飛機，豈不是要十年以上才能飛入藍天？”
“或許用不著那麽久，五年之內應該能行。當然前提是我們的中航動力公司進展順利，如果能有源源不斷的高素質人才加入攻關隊伍，我相信時間會更短效果更好。”
王助說的是實話，當前的飛機和後世的有很大不同，沒有繁多的電子設備需要配套研究，到目前為止無線電對講係統就是最先進的電子設備，空中格鬥時代的飛機肯定是比不上要超視距作戰的，不過做人就應該有追求，做事就應該有目標，中航既然下定了決心要在噴氣式方麵有所建樹，那就再也沒有後退的道理。
既然選擇了方向，那就風雨無阻，一路兼程！
ps：今日又是一個周四，加更章節到來。感謝諸位的支持，尤其是永恒的破滅、依帆流影等好友的打賞，謝謝。