超音速飛行，又稱“超聲速飛行”。是指飛行器以馬赫數1.2以上速度的飛行。其主要特點是波阻成為阻力的主要部分。氣動力中心後移，飛行阻尼減小，這要求航空器的機翼後掠，面積減小，機體做成尖頂的細長形，加大控制面（特別是垂尾）面積。由於操縱性能變壞，抗干擾及恢復能力變差，因而在超音速飛行時要求駕駛員動作要協調、柔和。超音速飛行會造成音爆，產生強力噪聲，一般禁止在居民區上空進行超音速飛行。人類在噴氣發動機出現後於1947年終於實現了以超音速飛行的夢想，其間經過了40多年。當飛行速度很大（馬赫數超過2.5）時，由於氣體分子的摩擦，造成氣動加熱，使機體表面溫度升高，現在通用的鋁合金材料不能承受，馬赫數超過2.5的航空器要使用鈦合金或其他耐熱合金結構材料。
基本介紹
- 中文名：超音速飛行
- 外文名：transonic flight
- 協和飛機：首架超音速客機
- 獵鷹03號：中國自主研發首架超音速飛機
- X-1飛機：1947年美國完成首次超聲速飛行
- 個人超音速：費利克斯·鮑姆加特納
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相關概念
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。
推力的產生
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，1939年首次被德國用於V－1飛彈上。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。
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。
發展歷史
人類首次超聲速飛行是1947年美國用X-1飛機實現的。現代的軍用機大多在這個速度區內飛行。這時波阻成為阻力的主要部分。因此把翼面做成平滑、薄而短的後掠形或三角形，機身做成尖頭細長形。超聲速飛行的特點是：氣動中心後移，縱向靜穩定性增大；飛機阻尼隨馬赫數增大而減小。二者都導致飛機擾動衰減緩慢，操縱性變壞，航向穩定性差，故需加大垂直尾翼面積或採用自動化裝置。高速飛行導致的氣動加熱在飛行馬赫數小於2.5時，鋁合金強度尚可維持。馬赫數達3.0後，氣動加熱加劇，須採用耐熱材料。為防止聲爆和噪聲危害，許多國家禁止在居民區上空作超聲速飛行。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，難以突破M=1的速度。人們把這種現象稱之為音障。
超音速戰機
超音速戰機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1078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。
超音速飛機
首架超音速客機
——1962年11月29日法國與英國簽署協定，共同製造超音速客機“協和”
——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
——1976年1月21日“協和”進行第一次商業飛行，法航的航線是巴黎—達喀爾—里約熱內盧，英航的航線是倫敦—巴林
——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”
——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)
中國
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。
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號最大的不同，在於它的外型。獵鷹教練機總設計師張弘介紹稱，主要是採用第三代機的氣動布局，大的邊條翼，翼身融合，配合翼下的進氣道，使得這個飛機的機動能力非常強，可以快速地改變機頭指向.
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。
美國
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。
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。
超音速飛行第一人
美國費利克斯·鮑姆加特納
費利克斯·鮑姆加特納當地時間3月15日，美國羅斯威爾，高空極限跳傘運動員、奧地利“跳傘狂人”費利克斯·鮑姆加特納從距離地面21800米高空跳下並安全著陸。據介紹，這是今年8月份超高空極限跳傘前的熱身，屆時他將從3.7萬米的高空跳下，進入超音速飛行狀態。
按計畫，鮑姆加特納將爬進8英尺的“太空梭”，乘坐充滿氦氣的氣球上升至3.7萬米的超高空，然後一躍而下，直到跌至約1500米才打開降落傘。從跳傘到抵達地面僅需10分鐘，預計其中的35秒鐘將處於超音速飛行狀態。如果成功，他將僅僅依靠重力加速度打破音障，成為第一個真正意義上超音速飛行的人類。
超越音速的危險
在整個“自由落體”過程中，最大的危險是鮑姆加特納要防止在超音速俯衝過程中出現旋轉暈厥。現人類最高跳傘紀錄保持者喬·奇廷爾在1960年成功從10.2萬英尺(約3.1萬米)高空跳下。當年，他在高空急速下降的過程中，就出現了眩暈現象，他甚至失去了意識和知覺，沒能打開降落傘。幸好，自動開傘裝置及時啟動，救了他一命。因為這種“亡命”的危險，50年過去，很少有人敢嘗試和挑戰這個高度。
如果鮑姆加特納今年成功，他將打破四個世界紀錄：最高海拔的自由落體飛行、載人氣球飛行的最大高度、最長距離的自由落體飛行以及最快達超音速的人體飛行。
他的超級裝備
要完成一個突破人類極限的壯舉，鮑姆加特納需要強有力的裝備支持——那些貴重又稀奇的高科技。
“超音速頭盔”
特製的“超音速頭盔”能保護他的頭部，在超越音速的下降中，不會受到太大的壓力衝擊，以防止他暈厥。此外，頭盔還配有遮擋太陽的功能，以幫助他保持清晰的視覺。
“太空衣”
他的跳傘服類似於太空人的太空衣，但比太空衣更輕盈，活動更自由。這套裝備具有增壓功能。因為在高空下降中，大氣壓力會迅速下降，液體的沸點也會急速下降，如果沒有保護，他的血液就會在低壓下“沸騰”。此外，裡面還將提供大約維持20分鐘的氧氣，這套衣服還要抵禦下降過程中零下70℃的低溫。
飛行器
鮑姆加特納挑戰的高度，已經超越了一般民航飛機飛行高度的3至6倍，因此，他乘坐的飛行器已經類似於宇航飛船一樣的升空艙，這個大傢伙重約1.13噸，在一直徑達182米的氦氣球的牽引下，上升至海拔3.65萬米的平流層，隨後打開艙門後由一個彈射器將他彈出。
主要特點
超音速飛行的特點是：
1.氣動中心後移，縱向靜穩定性增大；
2.飛機阻尼隨馬赫數增大而減小。
二者都導致飛機擾動衰減緩慢，操縱性變壞（見擾動運動模態），高空中尤甚。故駕駛動作應柔和，桿、舵要協調。由於水平尾翼、垂直尾翼效率降低，鉸鏈力矩劇增，且變化規律複雜，需用全動水平尾翼和不可逆助力器。尾翼效率的降低使飛機的航向穩定性和橫向穩定性（見飛行器動態特性）都隨馬赫數的增加而下降。特別是高空飛行，航向穩定性更差，故需加大垂直尾翼面積或採用自動化裝置或限制飛行馬赫數。因高空空氣稀薄，大氣溫度低，使飛行速度範圍小，加速慢和爬升率降低。當高度劇變時，高度表和速度表指示將產生較大的延遲誤差，真速和錶速指示值差別加大。
套用設備
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，1939年首次被德國用於V－1飛彈上。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。
設備區別
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承上。
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。
