浅说突破 “声障”

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郭先生一生最杰出的成就是突破“声障”。因此，今天就从这开始写起。

1740年，罗宾斯在进行炮弹实验时，发现当炮弹时速超过820英里，即大于声波在空气中的传播速度约760英里/小时，炮弹受到的阻力突然增加，远远偏离牛顿的平方阻力公式。但是，超过声速以后，阻力又开始下降，逐渐趋向正常。这种阻力在声速附近突然上升的现象，就称为“声障” (sound barrier)。

现在已经知道，声障实际上是当飞行器的速度接近声速时，飞行器将会逐渐追上自己发出的声波，波叠合累积，会造成激波 (shock wave) 的产生，进而对飞行器的加速产生障碍的物理现象。激波的出现，还将导致飞行器升力骤降，头重尾轻，甚至机翼、机身发生强烈振动。因此，如何突破声障就成为摆在力学家和航空工程师面前的一个难题。

难点主要有三个方面：

  · 一是，在跨声速范围内，线性化理论不再适用，必须考虑非线性效应；

  · 二是，由于出现兼有亚声速与超声速区域的混合流动，必须发展混合型方程的理论；

  · 三是，由于激波的出现，在流场中必然存在着未知的间断面，通过该断面，物理量的变化是不连续的。

20世纪三四十年代，在冯卡门的领导下，有一批科学家聚集在美国加州理工学院的古根海姆航空实验室，为攻克这个堡垒进行了大量艰苦的研究工作。我国科学家郭永怀先生在这个方面作出了突出的贡献。

郭永怀与钱学森一起，在《可压缩流体二维无旋亚声速和超声速混合型流动和上临界马赫数》一文中提出了所谓“上临界马赫数”的概念，回答了机翼上何时会出现激波这个重要的理论问题。尽管人们当时凭直觉已经意识到激波的出现是气动特性改变的主要原因，但起初往往只注意下临界马赫数（即流场中第一次出现声速的飞行马赫数）这个参数。郭永怀的连续解说明，即使飞行速度超过了下临界马赫数，在理论上连续解依然可能存在，只有当飞行马赫数超过了上临界马赫数（即流场中第一次出现极限线的马赫数）时才会出现激波。这时等熵流动条件破环，流动出现分离与旋涡，流体的一部分机械能转变为热能，这些因素都会严重地改变流场与气动特征。

所以，真正有实际意义的是上临界马赫数，而不是下临界马赫数，这是一个重大的发现。郭永怀还进一步用稳定性理论解释实际临界马赫数会介于上下临界马赫数之间的原因，这也是对高性能气动外型的设计的先驱性工作。

突破声障，使飞机器尤其是战斗机进行超音速飞行甚至巡航成为了可能。下图是一架“超级大黄蜂”战斗机在纽约航空展上，表演突破音障的精彩瞬间。可以明显的看到在机身周围的蒸汽不断堆积，形成了圆锥般的云雾，通常被称为“冲击波项圈”或“蒸汽锥”。

这种现象之所以发生，是因为当物体的速度快要接近音速时，周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态，因此一旦物体穿越音障后，周围压力将会陡降。空气中的水蒸气，因压力陡降所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的露点温度，使得水汽凝结变成微小的水珠，肉眼看来就像是云雾般的状态。但由于这个低压带会随着空气离机身的距离增加而恢复到常压，因此整体看来形状像是一个以物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团。

目前的主流战机突破声障实现超音速飞行，已不是难事。但是要进行超音速巡航却不易。超音速巡航能力，是要求飞机具有在发动机不开加力的情况下，能在M1.5（1.5马赫数，即1.5倍声速）以上做超过30分钟的超音速飞行。是否拥有此能力已经成为第四代战机的重要标准。目前只有美国的F-22、F-35，俄罗斯的T-50具有超音速巡航能力。下图为突破音障瞬间的F-22“猛禽”。

中国目前最先进的战斗机歼-10被称作第三代战斗机，按中国军方的说法，它应该与F-16属于同一技术等级。

老一辈科学家已经离我们而去，但他们的精神依然存在。“两弹一星”的辉煌何时能再现？

来源：蒋敏强科学网博客，作者：蒋敏强。