噴氣引擎的葉片隆隆旋轉(zhuǎn)，燃料在上千度的高溫下釋放出它的能量，這是鋼鐵、火焰與氣流的交融。當(dāng)刺耳的尖嘯劃破天際，澎湃的激波沖擊著蒙皮，音障的大門被粗暴地攻破，我們進(jìn)入了音速時(shí)代。

氣體是可壓縮的，這種可壓縮性導(dǎo)致空氣可以傳導(dǎo)擾動(dòng)，比較微小的擾動(dòng)在一定狀態(tài)的空氣中傳播的速度是固定的，我們稱之為聲速（a）。雖然你有時(shí)會(huì)聽(tīng)到震耳欲聾的響聲，但聲音還是一種弱擾動(dòng)，強(qiáng)擾動(dòng)我們稱之為激波（沖擊波），它的傳播速度就可能會(huì)大于聲速。

我們把氣流速度與該氣流中的聲速之比稱作馬赫數(shù)（Ma），馬赫數(shù)可以很好地表示氣流的性質(zhì)，馬赫數(shù)相同的氣流，很多性質(zhì)都相近。從動(dòng)量守恒出發(fā)，在經(jīng)過(guò)一些推導(dǎo)后，我們得到了以下的式子：

左側(cè)的的式子是密度變化率和氣流速度變化率的關(guān)系，在馬赫數(shù)較小時(shí)，氣流密度隨速度變化小，可視為不可壓縮流體，在馬赫數(shù)較大時(shí)，密度變化大，必須考慮氣體壓縮性。右邊式子中A為流管截面積，從右側(cè)式子可以看出，在馬赫數(shù)小于1時(shí)，壓縮流管，流速增快，但當(dāng)馬赫數(shù)大于1時(shí)，要使流速增快，我們反而要擴(kuò)張流管，這就是著名的跨音速面積率。

在制造超音速風(fēng)洞時(shí)，我們需要運(yùn)用面積率，先用面積逐步減小的管道把氣流加速到1馬赫，再用面積逐步增加的管道使氣流進(jìn)一步加速，這種截面積先減小后增大的噴管稱為拉瓦爾噴管，它的截面最小處稱為喉部，火箭引擎上的噴管就是拉瓦爾噴管。還有，在設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，通過(guò)在機(jī)翼處“束腰”等方法使飛機(jī)總截面積近似不變，使亞音速和超音速氣流都能平緩?fù)ㄟ^(guò)，可以有效降低飛機(jī)跨音速阻力。

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我們把一個(gè)物體放入超音速氣流中，這個(gè)物體會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)分為膨脹擾動(dòng)和壓縮擾動(dòng)，我們先看膨脹擾動(dòng)的傳播，即膨脹波。

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3、?機(jī)翼的跨音速特性

我們?cè)谏衔闹?/span>提到過(guò)氣流密度變化率與氣流流速的關(guān)系：流速加快，密度減小。這一點(diǎn)在低速下不明顯，但進(jìn)入亞音速（0.3馬赫）后，我們必須考慮它。同時(shí)，伯努利方程不能再使用了，我們有高速能量方程：。之前的文章講過(guò)，飛機(jī)升力來(lái)源是機(jī)翼上表面管減小，流速加快，壓強(qiáng)降低，下表面與之相反，上下表面形成壓力差，產(chǎn)生升力。而氣流的可壓縮性會(huì)導(dǎo)致上表面流速加快后密度減小，密度減小與速度增加均會(huì)導(dǎo)致壓強(qiáng)減小，雙重作用下，壓強(qiáng)減小得比低速時(shí)更加明顯。下表面同理，壓強(qiáng)上升也會(huì)更明顯。所以，在亞音速區(qū)，升力系數(shù)會(huì)隨速度的上升而上升。

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?當(dāng)飛機(jī)速度進(jìn)一步上升后，飛機(jī)速度雖然未達(dá)到音速，但上表面氣流最快處速度已達(dá)到音速，我們稱此時(shí)飛機(jī)馬赫數(shù)為臨界馬赫數(shù)，此時(shí)機(jī)翼上表面流管最窄處為音速，氣流再向后流動(dòng)，流管擴(kuò)張，流速本應(yīng)見(jiàn)慢，但由于跨音速面積率，氣流速度不減反增，一舉超過(guò)音速，壓強(qiáng)急劇降低，但由于機(jī)翼后方壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)，氣流受到阻擋，形成較強(qiáng)壓力波，該壓力波為激波，波速可以大于音速，于是這個(gè)局部激波在上表面超音速氣流中向前傳播，直到某一點(diǎn)局部激波波速與氣流速度相等，局部激波靜止在機(jī)翼上，它前方的氣流為超音速氣流，后方的氣流受到它的阻礙為亞音速氣流，該局部激波為超音速氣流與亞音速氣流的分界面。它前方的超音速氣流區(qū)壓強(qiáng)極低，可以提供額外升力，飛機(jī)在超過(guò)臨界馬赫數(shù)后升力系數(shù)再次上升。?

隨著飛機(jī)速度進(jìn)一步上升，機(jī)翼下表面也會(huì)出現(xiàn)局部激波和超音速氣流區(qū)，而且由于機(jī)翼下表面更加平緩，使得在飛機(jī)速度上升時(shí)，下表面超音速區(qū)擴(kuò)張比上表面更快，下表面吸力增加也比上表面快，升力較快下滑。直到超音速區(qū)覆蓋了整個(gè)下表面，升力才有所回升。而飛機(jī)超音速后，升力又再次下降，這個(gè)我們下期再說(shuō)。

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供稿人：可控猴聚變

參考文獻(xiàn)：【1】柳文林，康小偉.飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)【M】北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022.

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