基本介紹
- 中文名：超音速飛機
- 外文名：supersonic aircraft
- 首架客機：法國協和超音速飛機
- 首航時間：1947年10月14日
- 中國自主研發：獵鷹03
發展歷史,工作原理,首架超音速飛機,概述,誕生,外形,缺憾,退役,面臨問題,歷史,其它實例,中國製造,間諜飛機,技術門檻,
發展歷史
音速是指聲音在空氣中傳播的速度。高度不同，音速也就不同。在海平面，音速約為1224公里/小時。在航空上，通常用M(即馬赫)來表示音速，M=1即為音速的1倍；M=2即為音速的2倍。當飛機飛行速度接近音速時，周圍的流動態會發生變化，出現激波或其它效應，會使機身抖動、失控，甚至空中解體，並且還可產生極大的阻力，使難以突破M=1的速度。人們把這種現象稱之為音障。
超音速戰鬥機突破音障瞬間
超音速戰鬥機突破音障瞬間在第二次世界大戰期間，一些活塞式戰鬥機在加速俯衝速度達到M=0.9時，就曾強烈感受到了音障，並有的飛機因此而失事。當噴氣式飛機出現後，使飛機速度有可能大幅度提高時，能否突破音障就成為航空界注視的一大焦點。英國首先開始對超音速飛機進行研究。邁爾斯公司受官方委託於1943年研製M。52型噴氣式飛機，目標是速度達到M=1.6。但由於當時有人在駕駛其它飛機接近音速時失事遇難，官方認為載人的超音速飛行太危險，後來終止了這一計畫。美國於1944年開始了同樣研究，它採用以火箭發動機為動力。貝爾公司於1945年製造出 X—1火箭實驗機，X—1的機翼很薄，平直翼型。它需由一架B—29型重型轟炸機掛在機身下帶到空中，然後在空中點火，脫離轟炸機單獨飛行。1947年 10月14日，空軍上尉查爾斯·耶格駕駛X—1在12800米的高空飛行速度達到1278公里/小時，M=1.1015，人類首次突破了音障。1953 年，試飛員道格拉斯駕駛著 “流星煙火”號飛機，在噴氣發動機和火箭的雙重推力下，首次以音速2倍以上的速度飛行。這說明，只要突破M=1，就不會再有音障存在。人們通過研究發現，採用向後傾斜的機翼可以延緩或消除音障現象的出現，並減少飛行的阻力，有利於提高飛行速度，所以後來的亞音速和超音速飛機大都採用有向後傾斜角度的後掠翼、三角翼或梯形機翼。最早具有後掠翼的實用飛機是40年代後期誕生的美國F—86和蘇聯米格—15戰鬥機。而第一種實用的超音速飛機是美國於1949年研製成功的F—100戰鬥機。
20世紀50年代末，波音707、DC-8、“快帆”等噴氣式客機趨於成熟後，飛機製造公司和設計師又把注意力放到超音速客機身上。如果民航客機能夠實現超音速飛行，將使飛機速度提高兩倍以上，大大縮短長途飛行的時間。但是超音速客機的命運並不像亞音速客機那樣一帆風順。經過了近二十年的努力，目前只有兩種超音速客機在航線上使用。這就是英法聯合研製的協和號和前蘇聯的圖-144客機。
前蘇聯的超音速客機晚於法國的協和號，但首次試飛卻早於協和式。60年代初，當前蘇聯得悉美國、西歐準備研製超音速客機後，倉促上馬研製超音速客機。由圖波列夫設計局研製的圖-144在外形上與協和號非常相近，特別是當前蘇聯駐英使館人員曾因竊取協和資料被大批驅逐的訊息披露後，因此航空界普遍懷疑圖-144是抄襲協和號的，並戲稱其為“協和斯基”。 圖-144與協和式一樣採用下單翼結構，狹長的三角翼，無平尾，可下垂的機頭。四台發動機也分別下掛在機翼下側。圖-144的巡航速度為2.35馬赫，最大航程6500千米，載客140人。這些指標優於英法聯合研製的協和式。圖-144的設計方案於1965年9月在前蘇聯公開展出。1968年12月31日，第一架原型機製成並進行了試飛，創下了一項世界第一的紀錄。經過大約3年的試飛，圖-144進行了重大的改動，並於1973年投入批生產。估計圖-144共生產了30架。
1973年6月3日，圖-144在參加巴黎國際航空展覽時，突然墜毀，機上人員全部遇難。根據當時的報導，參展的圖-144已經試飛過100餘次，飛行時間約300小時。在此次航展上，該機共進行了兩次飛行表演，且都是在協和號表演之後進行的。6月2日進行的第一次表演是專門為專業人員舉行的，6月3日的則是為35萬觀眾進行的公開表演。
圖-144
圖-144在表演中，圖-144曾三次穿場而過，引來觀眾席上陣陣掌聲。在最後一次穿場飛行時，按計畫應表演低空、低速飛行，飛行高度在100米左右。此時飛機放下了起落架，垂下機頭整流罩，並放下前置操縱面，像一隻大鳥掠過機場，然後開始爬升。當飛機爬升到1500米時，突然機頭低下來，機腹左側出現閃光。在場觀看的一些有經驗的駕駛員驚呼道：“飛機出事了！”當飛機的俯衝角拉平到45°角時，左翼斷裂。飛機翻了個身，隨後整個飛機在空中肢解開來。飛機主體墜落在距機場幾千米外的村莊裡，砸死了幾個人，毀壞了15家農宅，6名機上人員全部死亡。
圖-144的墜毀是超音速客機第一次發生的重大事故。這一事件使前蘇聯推遲了該機交付民航使用的時間表。直到1976年12月，圖-144才開始在國內航線上使用，主要是用來進行貨運和郵運。1977年11月，圖-144在莫斯科到阿拉木圖的航線上定期運載旅客。大約在百餘次飛行之後，又因發生事故而暫停了飛行。1979年前蘇聯生產出圖-144的改進型圖-144D，採用渦輪風扇發動機。它在經濟性、噪音等方面都有很大改進，在1981年投入航線使用。但後來因蘇聯民航當局認為運行收益不大，沒有繼續發展使用。
工作原理
強大推力的產生
音速：音速約為每秒鐘340米。馬赫：超高速單位，物體運動的速度與音速的比值為馬赫或馬赫數。亞音速：速度小於1馬赫。超音速：速度在1至5馬赫間。高超音速：速度在5馬赫以上。
超音速戰鬥機突破音障瞬間
超音速戰鬥機突破音障瞬間高超音速飛機採用的是超音速燃燒衝壓發動機，它類屬於衝壓發動機。衝壓發動機的原理由法國人雷恩洛蘭於1913年提出。衝壓發動機由進氣道、燃燒室、推進噴管三部分組成，它比渦輪噴氣發動機簡單得多。衝壓是利用迎面氣流進入發動機後減速、提高靜壓的過程。該過程不需要高速旋轉的、複雜的壓氣機。高速氣流經擴張減速，氣壓和溫度升高后，進入燃燒室與燃油混合燃燒，溫度為2000—2200℃，甚至更高，經膨脹加速，由噴口高速排出，產生推力。
衝壓噴氣發動機目前分為亞音速、超音速、超音速燃燒（或高超音速）三類。亞音速衝壓發動機以航空煤油為燃料，採用擴散形進氣道和收斂形噴管，飛行時增壓比不超過1.89。速度在小於0.5馬赫時一般無法工作。超音速衝壓發動機採用超音速進氣道，燃燒室入口為亞音速氣流，採用收斂形或收斂擴散形噴管。用航空煤油或烴類作為燃料。推進速度為2至5馬赫，可用於超音速靶機和地對空飛彈。超音速燃燒（高超音速）發動機是一種使用碳氫燃料或液氫燃料新穎的發動機，空氣在發動機內的流速始終保持為超音速，飛行速度高達5至16馬赫。
與噴氣機的區別
今天噴氣式飛機使用的最普通的噴氣發動機是渦扇噴氣發動機。帶有外涵道的噴氣發動機的早期設計出現在20世紀30年代。40和50年代，人們對早期的渦扇發動機進行了試驗。然而，由於對風扇葉片設計製造的要求非常高，因此直到60年代，人們才得以製造出符合渦扇發動機要求的風扇葉片，從而揭開了渦扇發動機實用化的階段。渦扇噴氣發動機由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，發動機利用氣壓機先對進入發動機的空氣進行壓縮，壓縮的空氣和燃料混合併被點燃，隨後氣體爆炸推動飛機前進，後面的渦扇和前面的壓縮機處在同一根軸上。
超音速飛機
超音速飛機超音速燃燒發動機同渦扇噴氣發動機存在不同。其實，它也有別於火箭發動機。雖然，多級火箭的速度極高，可達20多馬赫，但是它攜帶著全部的燃料，因而在相同體積的情況下，其有效負載低於安裝有超音速燃燒衝壓發動機的飛行器。
首架超音速飛機
概述
賦有“空中驕子”之稱的協和超音速飛機，6月14日在法國巴黎國際航展上吻別了藍天。有報導說，這架協和超音速飛機將被送到遙遠的美國。許許多多協和的愛好者們揮淚與之告別。這是自年4月10日法英兩國航空公司同時做出停飛決定後，協和再次讓人傷心落淚。
協和超音速飛機
協和超音速飛機協和是人類首架超音速客機，它翱翔在藍天與白雲之間，如夢如幻。可惜，如此靚麗的協和就要走進歷史了，這是為何呢？
誕生
在冷戰時期，以美蘇為首的西方大國角逐太空。
在龐大的空間探索計畫中，打造超音速飛機項目占據顯著位置，其作用是在短時間內能從某地迅速安全地撤離。參加這項“競技”不僅有美國和前蘇聯，還有英國和法國。1956年英國和法國開始分別研發超音速客機；1961年兩國開始協調開發事宜；1963年1月，法國總理戴高樂在一次演說中曾用“協和” (CONCORDE)這個詞來表述法、英兩國所從事合作，於是超音速飛機就有了“協和”這個名字。1968年12月底，蘇聯成功打造出超音速飛機圖- 144並試飛成功。此機種從1977年開始在蘇聯民航投入使用，但是由於性能很糟糕並發生兩次重大事故，於第二年夭折。在蘇聯圖-144試飛兩個月後， 1969年3月，法國和英國飛機製造廠緊鑼密鼓開發出“協和”並在法國土魯斯上空試飛成功。1976年1月，協和飛機投入商業運營。
外形
協和奇特的外形是它引人注目的亮點：它不像普通客機那樣使用後掠翼，而是使用三角翼；細長的機身旨在把飛行產生的阻力減到最小，縱向設計的油箱系統飛機更能很好地適合高速飛行。為了避免細長的機頭在起降時擋住飛行員的視線，在設計時專家讓“協和”頭部下垂，這使其在空中的飛行姿態猶如鯤鵬展翅。
協和超音速飛機
協和超音速飛機飛機總重為180噸。協和翼展25.5米，機長61.7米，高11.3米，客艙寬2.9米，它可載客100名，一次可加注95.6噸燃油，每小時要消耗掉 20.5噸。它裝有的4台“奧林巴斯593”型發動機，可使它爬升到距地面15000———18000米的高空，以每小時約2180公里的速度巡航(兩馬赫)，不間斷飛行距離為6230公里。
協和飛機的創意旨在打破時速限制，成倍縮短旅行時間。以倫敦到紐約7100公里的飛行距離為例，波音和空中客車飛機需要6-7小時，而協和3小時就可到達，不過票價高達9000美元。
雖說協和超音速飛機是上世紀70年代的產品，但它的電子設備還是比較先進的。特別是在自動飛行方面，協和飛機完全能按照地面的程式和指令，在無飛行員操縱下自動進行起飛與降落。協和被認為是世界上最安全的客機。豪華舒適的內部設施以及兩馬赫的飛行速度對“惜時如金”的商業人士具有強大的吸引力，協和一度成為歐美商賈貴族出行的首選協和式飛機號稱“空中驕子”，是目前世界上唯一投入商業運行的超音速民航客機。
協和飛機的誕生在國際航空界引起大反響，僅在1972年，協和飛機收到的訂單總數就達80架，其中包括美、德、日等國的16家航空公司。不過，一場石油危機導致美德日航空公司相繼撤單，協和遭到了冷落，從此出現生存危機。結果，買下協和客機的，僅有英國和法國兩個當事國的航空公司而已。
缺憾
協和客機超音速的特點讓人垂涎三尺，但協和驚人的票價卻讓人不敢問津。造成協和昂貴票價的是協和的高製造成本和高油耗，這是協和自身致命的弱點，讓許多航空公司敬而遠之。此外，協和還有許多無法克服的毛病，如載客量小、噪音大等。在新形勢下，協和漸漸地失去了市場。
上個世紀80年代，波音747等大型客機粉墨登場，成為普通百姓都能使用的旅行工具。載客百人的協和僅相當於747運力的1/4，可耗油卻是747的兩倍，這使得協和無法同波音同台競爭。此外，協和的噪音問題也十分棘手。協和客機在起飛之際要比起普通噴氣式客機快30%的速度滑行，產生強烈噪音。再加上飛行時一路產生衝擊波，曾導致不少國家禁止協和客機通過自己的領空，因此，協和客機只能在海上飛行，可飛行的路線受到極大限制。況且，協和連續飛行距離短，中途需要補充油料，如橫跨太平洋就是問題，因此協和適用地域有限。連年來，協和機群的維修費用不斷上漲。由於協和飛機的大量零配件現已不再批量生產，為了更換部分零件，航空公司需要投入額外的成本。另外，協和飛機的機組人員和地勤隊伍老化問題嚴重，人員的更新與培訓工作也由於資金問題而嚴重滯後，致使故障頻發，航空公司蒙受巨大損失。
退役
協和這個“空中驕子”生來就命運多舛。
1973年爆發第一次石油危機，飛機燃料價格猛漲3倍，外國訂單幾乎被全部取消。
1979年第二次石油危機爆發，協和飛機再遭重創。
1981年，從巴黎直飛華盛頓的協和航線被迫取消，其征服拉丁美洲的夢想也隨之成為泡影。
“9·11”事件使世界航空業遭受重創，伊拉克戰爭又使民航運輸業雪上加霜。在這種情況下，乘坐協和的富翁們出行明顯減少，他們開始關注每分鐘近40美元的協和超音速運價。
2000年7月25日，法航一架協和客機發生空難，機上114名乘客和機組人員全部遇難，這使人們對協和的畏懼大大增加。
據報導，伊拉克戰爭爆發後，協和的上座率頓時從約50%下滑到20%。
據統計，在近30年的商業運營中，英法兩國的協和機群共運送乘客400萬人左右，但這只是全球所有波音747客機幾周的運量。
面臨問題
在國際原油價格居高不下的情況下，歐美航空界在上世紀末便將競爭目標從飛行速度轉向飛機的載客量。有專家認為，航空公司今後將在綜合衡量旅行時間和經濟效益的基礎上，選擇油耗少且載客多的慢飛機。有專家認為，與其依*提高飛機飛行速度來縮短旅行時間，還不如改善連線機場的高速公路及通過簡化搭乘手續來節省時間。
超音速飛機還不合時宜。不很好解決高成本、高油耗和高噪音問題，超音速客機就很難再重回我們的生活。
歷史
——1962年11月29日法國與英國簽署協定，共同製造超音速客機
——1963年1月13日戴高樂將軍建議，把這種超音速飛機命名為“協和”
——1969年3月2日“協和001”在法國的土魯斯進行首次試飛 、
——1971年5月25日“協和001”在巴黎和達喀爾之間完成了其第一次國際試飛
——1977年10月17日法航開闢巴黎、紐約之間每天一班的“跨大西洋航線”
——1980年10月至1982年4月兩家航空公司先後在巴林、新加坡、里約熱內盧、華盛頓、墨西哥等航線上取消“協和”飛機運營
——1992年10月12日一架法航的“協和”飛機以33小時零1分鐘完成自東向西方向的環球飛行，並創下民用飛機此類航行的記錄
——1998年10月8日一架往返於倫敦、紐約之間的英航飛機的導向系統零件脫落，但飛機安全著陸
——2000年7月25日一架法航的“協和”飛機在巴黎戴高樂機場附近墜毀，導致113人死亡，法航立即停止其所有“協和”飛機的飛行
——2000年8月4日-10日法國有關方面對飛機失事進行調查後認定，飛機輪胎髮生爆炸、碎片刺破油箱是導致飛機爆炸失事的主要原因
——2000年8月15日英航停飛其所有“協和”飛機
——2001年11月7日、9日法航和英航分別開始恢復“協和”飛機的商業運營 、
——2002年11月5日一架法航的“協和”飛機從紐約飛往巴黎，在大西洋上空1台發動機突然發生故障，在其他3台發動機依然正常運轉的情況下，飛機安全抵達戴高樂機場
——2003年4月10日法航和英航宣布停止“協和”飛機的商業運營
——2003年5月31日法航的“協和”飛機完成最後一班飛行(紐約-巴黎)
——2003年10月24日英航的協和飛機完成最後一班飛行(紐約—倫敦)
其它實例
中國製造
2009年6月，由中國自主研發的新一代超音速教練機“獵鷹03”號，在南昌首飛成功。“獵鷹03”是一種融合了多項最新航空技術的新一代超音速教練機，它具有第三代戰鬥機的大迎角機動飛行能力和高敏捷性，可用於飛行學員的基礎改裝訓練或作為伴隨教練機進行戰術訓練。
獵鷹03號
獵鷹03號在江西省南昌市洪都集團的試飛場，由中國自主研發的目前最先進的高級教練機獵鷹03號騰空而起，在經歷了16分鐘的航線飛行和低空通場後，獵鷹03號穩穩地降落在跑道上，各項指標均達到設計要求。首飛完成後，試飛團隊將展開多科目的拓展性飛行工作，儘早實現獵鷹03號的量產。
對於教練機來說，座在後艙較高的位置是飛行教官，而前艙是學員。這也是教練機不同於其他飛機的一個特殊的地方。
獵鷹03號一般來說，人們會用機動性這個詞來衡量一架飛機性能的優劣，決定這個性能很重要的裝置就是發動機，獵鷹03號有兩台發動機，而且這些發動機都是靠計算機來控制的。飛行員拉油門桿的動作，出來的是電信號，通過計算機結合各種參數，向發動機發出控制指令，為飛機提供時實的充沛的動力，國內的教練機上是首次使用。
間諜飛機
據傳，美國軍方正在秘密研製一種新型的飛機發動機技術，這種技術以二戰時德國的V-1飛彈為原型。這種採用脈動式噴氣發動機的新型飛機已經在美國猶它州的上空進行了試飛。專家們作出這一判斷的根據：天空中形成的一種神秘冷凝尾跡。
美國SR-71“黑鳥”間諜飛機
美國SR-71“黑鳥”間諜飛機居住在美國猶它州瓦斯特山區的工程師辛格利亞幾乎不能相信自己的眼睛：在藍藍的天空中突然出現了飛機飛過後的冷凝尾跡，這種尾跡並不呈直線狀，而是像是用一個繩子
串起來的數個像油炸圈餅一樣的圓環。辛格利亞立即跑到閣樓，抓起相機拍下了這個神秘的冷凝尾跡。他說：“這些白色圓環狀的冷凝尾跡非常清楚，是剛剛形成的。”
這一天是2004年3月21日。居住在山區的辛格利亞從來沒有見到這么神秘的景象。專家稱，他可能目擊到裝備脈動式噴氣發動機的絕密超音速飛機在飛行時所出現的冷凝尾跡。美國空軍可能正在秘密研究這種絕密的超音速飛機，但有可能是中央情報局在研製這種飛機。
十二年前，有人曾在洛杉磯看到過這種神秘的冷凝尾跡，而且還伴隨有巨大的響聲，整個市區和大部分南加州地區都能聽到這個巨大的響聲。它的聲波是如此的大以致於地震監測中心都能收到。人們還在科羅拉羅州和德克薩斯州看見到這種神秘的冷凝尾跡。專家稱，這種神秘的冷凝尾跡是一種新型的發動機所留下的，這種“脈衝爆震波”發動機技術是以二戰時期德國的V-1飛彈為基礎的，它依靠汽體混合物的爆震波來壓縮燃料氧化混合物，使混合物燃燒後推動飛機加速。這樣的發動機技術就會產生辛格利亞在猶他州所見到的那種一系列的圓環狀的飛行冷凝尾跡。著名的美國航空專業雜誌《航空周刊和宇航技術》在一篇名為“脈衝式噴氣發動機又回來了？”文章中引用了辛格利亞所拍攝的照片。辛格利亞說那些研究這種先進發動機技術的人給他留下了深刻印象，他對目擊到神秘的飛行冷凝尾跡的評論是：“他們的工作幹得非常棒。”
目擊者都稱，這種脈動式噴氣發動機的速度非常驚人。美國專家稱，這種飛機的速度可達六倍音速。英國武器專家斯威特尼說，這種飛機的速度也許能達到八倍音速。美國宇航局所研製的X-43A在不久前就曾創造了七倍音速的最高飛行速度，不過這是在加利福尼亞海岸公開進行的，X-43A以超音速燃燒衝壓式噴氣發動機為推動裝置，由美國東岸至西岸只需半小時的飛行時間。一架B-52型轟炸機先把配組有“飛馬”助推火箭的X-43A載到7200米的高空，然後釋放。接著，“飛馬”助推火箭把X-43A推進到7馬赫速度後脫落，X-43A再點燃自身的發動機，飛行10秒、大約27公里，然後墜入太平洋。超音速燃燒衝壓式噴氣發動機與脈動式噴氣發動機工作模式相近，只是衝壓噴氣發動機自身沒有發動部件，需要火箭的起始推力來達到超音速推力狀態。
英國武器專家斯威特尼說，這種新研製的裝備脈衝式噴氣發動機的間諜飛機可能將取代SR-71“黑鳥”間諜飛機，目前美國有三架SR-71“黑鳥”間諜。這種新型的、超音速的間諜飛機很符合美國國防部的需求，由於間諜衛星無法對處於黑夜的地球部分地區實施偵察，這種新型偵察飛機將能彌補這一缺隙。有專家稱，這種新型間諜飛機可能就是傳聞中的“曙光女神”，它能以六倍的音速的速度飛行，預計將取代u-2和SR-71間諜飛機。
這種裝備脈衝式噴氣發動機的間諜飛機在猶他州上空現身也是有充分理由的：在鄰近的內華達州的沙漠裡有美國空軍的一個絕密基地：“51區”51區的格魯姆湖實驗場擁有一條長達九公里的跑道，是美國最長的普通跑道的兩倍，這樣長的跑道非常適合裝備脈動式噴氣發動機的飛機的實驗。
技術門檻
一般來說，高超音速飛行器的研究方式、方法，技術途徑都不同於傳統飛行器。要實現飛行器高超音速飛行，必須突破高超音速發動機技術和一體化設計技術，如飛行器機體和推進系統設計一體化、氣動設計一體化、結構設計一體化等技術，以及材料與結構技術、高超音速空氣動力技術、燃料高超音速推進系統、高超音速地面模擬和飛行試驗技術等。
首先，即使我國已經開始了高超音速飛機技術研究，但起步和美國相比還是較晚。從報導看，這次試飛的是從跑道上自由起降的飛機。美國自20世紀50年代開始研究吸氣式高超音速技術，雖進行了不懈的努力，但到目前還沒有研製出可在跑道上自由起降的吸氣式高超音速飛機。
其次，在發展高超音速飛機的路上，我國還有許多基礎性技術需要突破，如高性能噴氣發動機技術。因為如果像有些專家猜測的那樣，我國這次試飛的飛機採用了“串聯式渦輪衝壓組合發動機”，擁有高性能噴氣發動機技術將是前提。
第三，飛機移交試飛中心試飛前，一般都要在工廠進行首飛和較長時間的試飛，而這次報導中所說的飛機已是移交到試飛中心的飛機，說明該機此前已經進行過若干次試飛。如果是高超音速飛機，取得這樣重大的技術突破，卻長時間沒有任何訊息，在今天的網路時代，似乎有些不可思議。
最後，從報導中所提到的試飛中心投入的技術力量來看，也不符合高超音速飛機試飛情況。如果說，這次試飛，以某型飛機為載機，驗證了我國預研的某項高超音飛機技術，還有些可信。當然，即使如此，也是非常可喜的。
