接近音速飛行的噴火式戰鬥機

Image copyright Getty
Image caption (圖片來源:Getty Images)

1947 年10月14日,美國試飛員查克·葉格(Chuck Yeager)完成當時很多人認為不可能實現的壯舉。葉格成為世界上第一個飛得比音速還要快的人,他是被綁在 Bell X1 噴氣式飛機的座位上完成這項壯舉的,但他卻是忍著痛苦完成的——此前幾天,在一次騎馬事故中,他摔斷了兩根肋骨。

雖然葉格青史留名,但在他創下此次壯舉之前,還有其他飛行員也曾非常、非常地接近他的記錄,此前幾年,他們也曾挑戰這個空氣動力學障礙。有些人甚至活下來講述其經歷。更令人不可思議的是,他們用的飛機實際上無法以音速飛行。即使接近音速飛行,也會導致飛機解體。

幾次噴火式戰鬥機(一種單座戰鬥機,曾幫助英國贏得不列顛戰役)的飛行,為科學家理解飛機受力情況幫了大忙,克服了這些受力,飛機才能飛得比聲速還快。

噴火式戰鬥機剛好在二次世界大戰之前實現上天,它是設計師霍金納德·米切爾(RJ Mitchell)的作品。

之後的噴火式戰鬥機機型在水平飛行中速度可以遠遠超過 400 英里/小時,這要歸功於勞斯萊斯·梅林發動機和四葉螺旋槳,是它們幫助增加了使飛機前進的推力。噴火式空中照相偵察機飛得要更快,因為它們不用搭載機關槍或彈藥,減輕了飛機承重。

Image copyright Getty
Image caption 在飛機高速俯衝中收集到的信息幫助查克·葉格在 Bell X1 噴氣式飛機上完成了創紀錄的飛行。(圖片來源:Getty Images)

這種飛機的卓越性能也自然使其成為試飛對象,尤其是用於高速飛行研究。正是這些飛行,讓一些噴火式戰鬥機飛行員駕駛飛機進入前所未知的領域,他們要克服接近聲速飛行時所發生的陌生的空氣動力學問題。

據著名試飛員「小河螺」埃里克·布朗(Eric 『Winkle』 Brown)在《Wings on My Sleeve》一書中所述,高速試飛始於 1943 年後期。在此試飛計劃中,英國皇家空軍中隊長 J·R·托賓(J R Tobin)駕駛一架 Mark XI 噴火式戰鬥機以 45 度角俯衝,最大速度達到 606 英里/小時(975 公里/小時),或者馬赫數達到 0.89(馬赫數 1 為聲速的技術術語)。這是噴火式戰鬥機曾達到的最大速度,至少是活下來講述這個經歷的試飛員所達到的最快速度。但很快就有了更加激動人心的飛行。

1944 年 4 月,英國皇家空軍中隊長安東尼·F·馬丁代爾(Anthony F Martindale)駕駛完全一樣的 Mark XI 噴火式戰鬥機俯衝飛行。這次試飛中,減速裝置的設計避免了飛機的失速。飛機猛衝向地面時,飛機螺旋槳脫落,俯衝速度超過 620 英里/小時(1,000 公里/小時),馬赫數達到 0.92。

簡單的物理學原理救了馬丁代爾的命。沉重的螺旋槳脫離後,飛機尾部變重,這種重心變化迫使俯衝中的飛機高速爬升。馬丁代爾在爬升中的壓力作用下失去知覺,蘇醒時他發現飛機正在 40,000 英尺(13 公里)高空飛行。他最終設法讓飛機完好無損地飛回基地。飛機俯衝產生的壓力弄彎了機翼,使其略帶掃掠面的形狀,這種形狀最終將幫助其他飛機實現超音速飛行。

英國皇家航空學會空氣動力小組主席羅德·歐文(Rod Irvine)解釋說,飛機在提速時,機翼上的氣流導致機翼產生這種翹曲變形。他表示,「馬赫數接近 0.85 或 0.95 時,機翼上就會產生這種亞音速氣流,因此飛機開始加速,達到超音速。氣流到處輕擊飛機,就好像飛機自身開始搖動一樣,因為在空氣動力學研究中就能觀察到這種根本變化。」歐文表示,這個問題今天依然存在,空中客車 A380 這樣的大型客機飛行速度再快,也不會導致機翼上的氣流達到超音速,因為這會導致飛機振動和衝擊。

像噴火式戰鬥機這樣的飛機還存在另一個大問題——螺旋槳本身。老飛機都有一個螺旋槳與發動機直接相連——動力越大,螺旋槳旋轉得也就越快。即使飛行速度低於 300 英里/小時(480公里/小時),在這些飛速旋轉的葉片上穿過的氣流速度也可超過聲速。在螺旋槳葉片上飛速穿過的氣流會形成衝擊波,繼而導致阻力、振動和噪聲增加。

美國華盛頓特區史密森尼航空航天博物館館長傑裏米·金尼(Jeremy Kinney)表示,噴火式戰鬥機的設計師 RJ ·米切爾早在 1920 年代初設計高速飛機時就深知螺旋槳存在的問題。

Image copyright Getty
Image caption 美製 P-51 野馬式戰鬥機也被用於高速飛行,為實現超音速飛行鋪平道路(圖片來源:Getty Images)

金尼表示,「如果你站在 1923 年懷特島考茲一次飛行比賽中用過的一架飛機下,當飛機在上空掠過時,你會聽到叮叮當當的敲擊聲。這是螺旋槳達到超音速的信號。」米切爾及其同時代的人認識到,簡單連接螺旋槳,讓它轉速不斷增加,並不能幫助飛機速度不斷增加。變距螺旋槳效率會更高,它能自動匹配發動機的轉速,從而能幫助噴火式戰鬥機這樣的飛機飛得更快。

金尼表示,但它也只能飛得這麼快。他表示,「活塞發動機和螺旋槳的組合是速度不斷增加遇到的典型限制,這也造就了渦輪噴氣式飛機這場里程碑式的革命。活塞式發送機每分鐘的轉數只能達到那麼高。」

金尼表示,「一直存在這樣的思維範式,至少對 20 世紀前半葉而言如此,那就是飛機必須要飛得更高、更快和更遠。但要製造能達到超音速的螺旋槳,需要投入的努力實在是太大了。忽然之間,噴氣式發動機就能具備這種能力,你還有什麼理由再嘗試其他呢。」

能高速俯衝噴火式戰鬥機,還有美製 P-51 野馬式戰鬥機、P-47 雷霆式戰鬥機這樣的盟軍戰鬥機,都幫助研究人員見識了超音速飛行所帶來的巨大挑戰。它帶來不同飛機形狀的開發,新的飛機形狀解決了超音速飛行中遇到的衝擊波問題。尖頭、較小的機翼和光滑的機身都限制了衝擊波所產生的影響。這些特點與葉格駕駛的 Bell X1 噴氣式飛機非常之像。

請訪問 BBC Future 閱讀 英文原文

(責編:友義)

更多有關此項報導的內容