刘沛清教授专栏：超声速飞机

2年前浏览4157

超声速飞机

作者：北京航空航天大学刘沛清教授、博士生导师、航空专家

超声速飞机的绕流属超声速外流。通常超声速外流是指整个流场或流场中绝大部分地区都是超声速流动的情形。在飞行马赫数大于1.4以后,会出现一系列与激波、膨胀波控制的流动现象，一般超声速流动的马赫数在1.5～5.0之间。定常超声速流动的一个重要特征是：流场中任何扰动的影响范围都是有界的，任何扰动都表现为波的形式。当超声速气流发生膨胀或依次受到一系列微弱压缩时，扰动的始末界限都是马赫线（见普朗特－迈耶尔流动）。以绕双弧翼型的超声速流动说明之。当来流迎角小于翼型的半顶角时，前缘上下均受压缩，形成强度不同的斜激波；当来流迎角大于翼型的半顶角时，前缘上面形成膨胀波，下面形成斜激波。经一系列膨胀波后，由于在后缘处流动方向和压强不一致，从而形成两道斜激波，或一道斜激波一族膨胀波。以使后缘汇合后的气流具有相同的指向和相等的压强。（近似认为与来流相同）。

双弧翼型超声速绕流（小迎角、大迎角）

在超声速绕流中，绕机翼的激波阻力大小与机翼头部钝度存在密切的关系。由于钝物体的绕流将产生离体激波，激波阻力大；而尖头体的绕流将产生附体激波，激波阻力小。因此，对于超声速翼型，前缘最好作成尖的，如菱形、四边形、双弧形等。但是，对于超声速飞机，总是要经历起飞和着陆的低速阶段，尖头翼型在低速绕流时，较小迎角下气流就要发生分离，使翼型的气动性能变坏。为此，为了兼顾超声速飞机的低速特性，目前低超声速飞机的翼型，其形状都采用小圆头的对称薄翼。

超声速物体绕流（离体激波与附体激波）

离体激波和附体激波

超声速翼型

对于定常、无粘性、绝热的二维无旋超声速流动，利用小扰动线化理论，得到的薄翼型的升力系数、波阻系数和对前缘的俯仰力矩系数与风洞试验结果一致。对于绕三维机翼的超声速流动，按来流马赫数和机翼前缘后掠角.或后缘后掠角之间的关系，可分为以下几种流动情况：①超声速前、后缘；②亚声速前、后缘；③超声速前缘和亚声速后缘；④亚声速前缘和超声速后缘。这些不同的流动情况，对应的压力分布和气动力特征是不同的。理论的建立为认识超声流动提供了重要的基础。同时在大量风洞试验的基础上，积累丰富的资料，为超声速飞机的研制提供了重要支撑。

超声速飞机的飞行速度超过声速。1947年10月14日，美国空军上尉查尔斯·耶格驾驶X—1在12800米的高空飞行速度达到1278公里/小时，M=1.1015，人类首次突破了音障。民用超声速飞机的代表作是由法国宇航和英国飞机公司联合研制的中程超声速客机，协和号（Concorde）。该机采用无水平尾翼布局，为了适应超声速飞行，协和式飞机的机翼采用三角翼，机翼前缘为S形。协和式飞机共有四台涡轮喷气发动机。发动机由英国罗尔斯·罗伊斯公司和法国国营航空发动机公司(Rolls～Royce/SNECMA)负责研制。发动机具备了一般在超声速战斗机上才使用的加力燃烧室。协和式飞机的飞行速度能超过音速的两倍，最大飞行速度可达2.04马赫，巡航高度18000米，巡航速度达到每小时2,150公里。1976年投入服务，主要用于执行从伦敦希思罗机场（英国航空）和巴黎夏尔·戴高乐国际机场（法国航空）往返于纽约肯尼迪国际机场的跨大西洋定期航线。飞机能够在15000米的高空以2.02倍音速巡航，从巴黎飞到纽约只需约3小时20分钟，比普通民航客机节省超过一半时间，所以虽然票价昂贵但仍然深受商务旅客的欢迎。1996年2月7日，协和式飞机从伦敦飞抵纽约仅耗时2小时52分钟59秒，创下了航班飞行的最快纪录。协和式飞机一共只生产了20架。英国航空公司和法国航空公司使用协和式飞机运营跨越大西洋的航线。到2003年，尚有12架协和式飞机进行商业飞行。2003年10月24日，协和式飞机执行了最后一次飞行，全部退役。

协和号（Concorde）起飞

(1976年1月21日投入运行，2003年10月24日退役）

协和号（Concorde）爬升

我国研制的歼10是一款中型、多功能、超声速、全天候空中优势战斗机（第四代战斗机），最大飞行马赫数数达到2.2。歼～10采用鸭式布局，翼身融合。通过精心设计主翼与机身中部结合处的曲面，既增加了机内容积（用于载油、装备，以及为尔后发展预留空间），也有效利用了它带来的空气动力增升效果。主翼后部机身两侧没有安排其他结构，这再次体现了翼身融合的设计理念，只是在尾喷管前端机腹下加装了两片外斜腹鳍。这两片腹鳍用于战机大迎角飞行时，配合高大的垂直尾翼保持飞机的稳定性。

歼10（鸭式布局）

F～22“猛禽”战斗机是由美国洛克希德·马丁和波音联合研制的单座双发高隐身性第五代战斗机。F～22是世界上第一种进入服役的第五代战斗机，最大飞行马赫数2.25。F～22于本世纪初期陆续进入美国空军服役，以取代上一代的主力机种F～15鹰式战斗机。洛克希德·马丁为主承包商，负责设计大部分机身、武器系统和F～22的最终组装。计划合作伙伴波音则提供机翼、后机身、航空电子综合系统和培训系统。洛克希德·马丁公司宣称，猛禽的隐身性能、灵敏性、精确度和态势感知能力结合，组合其空对空和空对地作战能力，使得它成为当今世界综合性能最佳的战斗机。F～22采用双垂尾双发单座布局，垂尾向外倾斜27度，恰好处于一般隐身设计的边缘。其两侧进气口装在机翼前缘延伸面（边条翼）下方，与喷嘴一样，都作了抑制红外辐射的隐形设计，主翼和水平安定面采用相同的后掠角和后缘前掠角，都是小展弦比的梯形平面形，水泡型座舱盖凸出于前机身上部，全部武器都隐蔽地挂在4个内部弹舱之中。

F22（梯型翼布局）