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贝尔X-1机组人员合影
就在20世纪之初飞机刚刚诞生的那几十年时间中，声障被看作是任何人类航空器都难以逾越的天堑，曾几何时，有无数的航空先驱者为了突破这道天堑，仅仅凭借着在我们今天人眼中原始落后的航空器向着声障发起了一次又一次挑战，甚至在试飞中牺牲了宝贵生命，但是随着两次世界大战中人类航空水平的不断发展，在二战结束后，人类的航空制造水平迎来了井喷式发展，声障对于我们不在神秘，不在遥不可及，乃至于最终被人类彻底征服，今天我们就带大家一起回顾一番，人类克服声障的始末。
驾驶贝尔X-1完成首次超声速飞行的飞行员查克·耶格
1947年的10月14日，是一个在人类航空史上永远值得被铭记的日子，正是在71年前的这一天，人类的飞机首次实现了跨声速飞行，美军的王牌飞行员查克·耶格驾驶着贝尔X-1验证机在1.37万米的高空中，飞行速度达到了1.06马赫，正式宣告人类航空器突破声障，进入了超声速时代。
何为声障？
二战中的高性能螺旋桨战机P-51，速度达到765千米/小时
声障一概念的出现最早是在上世纪40年代，时值第二次世界大战，人类的航空科技在战争的刺激之下取得了飞速的发展，在当时便有许多高性能螺旋桨飞机的速度已经达到了声速的一半以上，甚至于有的飞行员操纵螺旋桨战机从高空俯冲时飞机的速度达到了0.7倍声速，但即使这样，在这些螺旋桨飞机接近声速时都会因为剧烈的震颤使得飞机在空中失去控制，严重的会导致飞机在空中解体。
激波产生的原理示意图
在随后的不断试飞中人们发现，当飞机以低于声速的速度飞行时，飞机在空气中产生的声波会走在飞机的前端，并驱赶前方的气流来为飞机开路，随着飞机的速度不断提升，飞机前方的声波会被不断压缩最终堆叠至一处，而当飞机的速度超越声速时，本就被压扁的声波会被进一步的拉伸，在飞机前方形成一层由声波组成的屏障也就是激波，激波形成后，由于飞机前方的空气已被极度压缩，造成飞机周围压强的迅速上升，同时速度的提升也导致了空气阻力的增大，使得飞机难以在继续提升速度。
困难所在？
飞机在飞行中产生的局部激波
其实所谓的声障问题，归根结底还是速度二字，我们知道声音在空气中传播的速度是随着空气温度而产生变化，空气温度越低则声音传播速度越快，而在第二次世界大战中，高性能的螺旋桨战斗机的速度超过了700千米/小时，当飞机以700千米/小时的速度在高空飞行时，其迎面而来的气流沿机体表面流过时，由于各种复杂环境的影响，布局气流的速度会超越声速，并在飞机的表面产生局部的激波，使得飞行阻力急速上升，严重影响飞行安全。
机翼翼面上的低压区
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征服声障
既然速度是突破声障的关键，那么想要最终征服它就必须从速度着手。回顾人类征服声障的历史，只有从两个方面致力于提高战机的速度。一是从飞机的气动布局来说，尽量的减少飞行时的阻力，二是对发动机进行提升，增加动力系统提升速度。
采用后掠翼设计的米格-15
首先从气动布局上讲，二战后的先进喷气式为了提升速度大多采用后掠翼设计，后掠翼的出现正是为了减少局部激波为飞机带来的阻力，因为在跨声速飞行中，不论如何机头的激波都是难以避难的，但当飞机采用大掠角的后掠机翼时，后掠翼的设计可将整个机翼收缩进机头激波的锋面以内，从而避免了机翼两端的局部激波，因此二战后期的早期喷气式飞机直到后来的初代超声速歼击机来看，飞机机翼的后掠角不断增大，到了二代战机追求高空高速的时代更是普遍采用的更为坚固的三角翼设计。
F-102超声速截击机
除过机翼的后掠翼设计之外，美国航空气动力学专家理查德·惠特科姆在1952年提出了跨声速面积律理论，这个理论认为飞机在接近声速时，在机身与机翼的结合部位，由于机身加上机翼的截面积，使得该部位截面积增大，经过该部位的气流在这个区域就会向外扩张，从而给飞机带来额外的飞行阻力，惠特科姆提出的解决办法就将机身两侧适当收缩，形成一种小蛮腰似的设计，从而抵消掉多余出的机翼截面积。最早应用该原理是美国的F-102截击机，后来苏联国土防空军的苏-15截击机也采用了类似的设计。
最早投入实战的喷气式战斗机Me-262
除了气动布局的革新，在二战后期，随着喷气式发动机与液体燃料火箭发动机被应用于战斗机领域，使得声障在人类面前彻底褪去了神秘面纱，从德国的Me-262，到英国的流星，再到苏联的伊-250，这些早期的喷气飞机打破老式活塞发动机在动力上的限制，使得其飞行速度可以达到800—900千米/小时，但是受限于当时喷气式发动机的技术水平，在早期突破声障的过程中，最大功臣还要数更为简单粗暴的液体火箭动力飞机。
采用火箭发动机助推的苏联伊-250战斗机
其实早在二战中，参战国双方都曾经尝试在活塞战斗机上配备火箭助推器以此来提升速度，到了战后美国人开始研发X系列试验飞行器，用来探索航空航天中的未知领域，其中X系列的首款机型贝尔X-1作为一款液体火箭动力飞机，其设计目的就是为探究航空器的超声速飞行，由于最初的设计构想是在二战结束之前，所以贝尔X-1在气动外形上的设计较原始，但是秉承着力大砖推的设计思路，贝尔X-1依然成功突破了声障壁垒。
贝尔X-1与B-29
贝尔X-1用我们今天的眼光来看，与其说是飞机不如说是一款有人驾驶的大号巡航导弹，由于贝尔X-1的载重有限，无法携带大量液体火箭燃料，因此贝尔X-1在起飞时需要借助B-29轰炸机将其挂载至高空后投放而下，之后贝尔X-1在空中滑翔时在使用火箭飞机多点火飞行，就是用这样我们今天看起来甚至有些离奇的方式，使人类的航空器摸进了超声速的大门，完成了人类在航空领域的一次划时代壮举。
拥有三倍声速的SR-71黑鸟
突破声障之后，人类对于速度的追求并没有停止，随着后来航空发动机技术进步，航空器从最初液体火箭发动机到后来的离心式、轴流式喷气发动机，从最早X-1的1.06马赫、到后来F-4、米格-21的2马赫，再到黑鸟与狐蝠的3马赫，在经历了无数的付出与牺牲之后，人类终于掌握了跨越声障的规律。在未来，人类对于航空器速度的追求一定会继续上演，而声障仅仅是一个伟大而又微小的开始。
END
作者：盖宇斌
排版：臧 航
编审：李美静
监制：王 兰
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