接近音速飞行的喷火式战斗机
1947 年10月14日，美国试飞员查克·叶格（Chuck Yeager）完成当时很多人认为不可能实现的壮举。叶格成为世界上第一个飞得比音速还要快的人，他是被绑在 Bell X1 喷气式飞机的座位上完成这项壮举的，但他却是忍着痛苦完成的——此前几天，在一次骑马事故中，他摔断了两根肋骨。
（图片来源：Getty Images) 虽然叶格青史留名，但在他创下此次壮举之前，还有其他飞行员也曾非常、非常地接近他的记录，此前几年，他们也曾挑战这个空气动力学障碍。有些人甚至活下来讲述其经历。更令人不可思议的是，他们用的飞机实际上无法以音速飞行。即使接近音速飞行，也会导致飞机解体。 几次喷火式战斗机（一种单座战斗机，曾帮助英国赢得不列颠战役）的飞行，为科学家理解飞机受力情况帮了大忙，克服了这些受力，飞机才能飞得比声速还快。 喷火式战斗机刚好在二次世界大战之前实现上天，它是设计师霍金纳德·米切尔（RJ Mitchell）的作品。 之后的喷火式战斗机机型在水平飞行中速度可以远远超过 400 英里/小时，这要归功于劳斯莱斯·梅林发动机和四叶螺旋桨，是它们帮助增加了使飞机前进的推力。喷火式空中照相侦察机飞得要更快，因为它们不用搭载机关枪或弹药，减轻了飞机承重。 在飞机高速俯冲中收集到的信息帮助查克·叶格在 Bell X1 喷气式飞机上完成了创纪录的飞行。（图片来源：Getty Images) 这种飞机的卓越性能也自然使其成为试飞对象，尤其是用于高速飞行研究。正是这些飞行，让一些喷火式战斗机飞行员驾驶飞机进入前所未知的领域，他们要克服接近声速飞行时所发生的陌生的空气动力学问题。 据著名试飞员“小河螺”埃里克·布朗（Eric ‘Winkle’ Brown）在《Wings on My Sleeve》一书中所述，高速试飞始于 1943 年后期。在此试飞计划中，英国皇家空军中队长 J·R·托宾（J R Tobin）驾驶一架 Mark XI 喷火式战斗机以 45 度角俯冲，最大速度达到 606 英里/小时（975 公里/小时），或者马赫数达到 0.89（马赫数 1 为声速的技术术语）。这是喷火式战斗机曾达到的最大速度，至少是活下来讲述这个经历的试飞员所达到的最快速度。但很快就有了更加激动人心的飞行。 1944 年 4 月，英国皇家空军中队长安东尼·F·马丁代尔（Anthony F Martindale）驾驶完全一样的 Mark XI 喷火式战斗机俯冲飞行。这次试飞中，减速装置的设计避免了飞机的失速。飞机猛冲向地面时，飞机螺旋桨脱落，俯冲速度超过 620 英里/小时（1,000 公里/小时），马赫数达到 0.92。 简单的物理学原理救了马丁代尔的命。沉重的螺旋桨脱离后，飞机尾部变重，这种重心变化迫使俯冲中的飞机高速爬升。马丁代尔在爬升中的压力作用下失去知觉，苏醒时他发现飞机正在 40,000 英尺（13 公里）高空飞行。他最终设法让飞机完好无损地飞回基地。飞机俯冲产生的压力弄弯了机翼，使其略带扫掠面的形状，这种形状最终将帮助其他飞机实现超音速飞行。 英国皇家航空学会空气动力小组主席罗德·欧文（Rod Irvine）解释说，飞机在提速时，机翼上的气流导致机翼产生这种翘曲变形。他表示，“马赫数接近 0.85 或 0.95 时，机翼上就会产生这种亚音速气流，因此飞机开始加速，达到超音速。气流到处轻击飞机，就好像飞机自身开始摇动一样，因为在空气动力学研究中就能观察到这种根本变化。”欧文表示，这个问题今天依然存在，空中客车 A380 这样的大型客机飞行速度再快，也不会导致机翼上的气流达到超音速，因为这会导致飞机振动和冲击。 像喷火式战斗机这样的飞机还存在另一个大问题——螺旋桨本身。老飞机都有一个螺旋桨与发动机直接相连——动力越大，螺旋桨旋转得也就越快。即使飞行速度低于 300 英里/小时（480公里/小时），在这些飞速旋转的叶片上穿过的气流速度也可超过声速。在螺旋桨叶片上飞速穿过的气流会形成冲击波，继而导致阻力、振动和噪声增加。 美国华盛顿特区史密森尼航空航天博物馆馆长杰里米·金尼（Jeremy Kinney）表示，喷火式战斗机的设计师 RJ ·米切尔早在 1920 年代初设计高速飞机时就深知螺旋桨存在的问题。 美制 P-51 野马式战斗机也被用于高速飞行，为实现超音速飞行铺平道路（图片来源：Getty Images) 金尼表示，“如果你站在 1923 年怀特岛考兹一次飞行比赛中用过的一架飞机下，当飞机在上空掠过时，你会听到叮叮当当的敲击声。这是螺旋桨达到超音速的信号。”米切尔及其同时代的人认识到，简单连接螺旋桨，让它转速不断增加，并不能帮助飞机速度不断增加。变距螺旋桨效率会更高，它能自动匹配发动机的转速，从而能帮助喷火式战斗机这样的飞机飞得更快。 金尼表示，但它也只能飞得这么快。他表示，“活塞发动机和螺旋桨的组合是速度不断增加遇到的典型限制，这也造就了涡轮喷气式飞机这场里程碑式的革命。活塞式发送机每分钟的转数只能达到那么高。” 金尼表示，“一直存在这样的思维范式，至少对 20 世纪前半叶而言如此，那就是飞机必须要飞得更高、更快和更远。但要制造能达到超音速的螺旋桨，需要投入的努力实在是太大了。忽然之间，喷气式发动机就能具备这种能力，你还有什么理由再尝试其他呢。” 能高速俯冲喷火式战斗机，还有美制 P-51 野马式战斗机、P-47 雷霆式战斗机这样的盟军战斗机，都帮助研究人员见识了超音速飞行所带来的巨大挑战。它带来不同飞机形状的开发，新的飞机形状解决了超音速飞行中遇到的冲击波问题。尖头、较小的机翼和光滑的机身都限制了冲击波所产生的影响。这些特点与叶格驾驶的 Bell X1 喷气式飞机非常之像。 请访问 BBC Future 阅读 英文原文。 （责编：友义）