2011/05/09 【聯合報╱記者程嘉文】
美國海軍F-18戰機出現「普朗特-格勞厄脫效應」,在機身四周出現裙襬狀的雲霧。 (取自網路)
物體高速飛行時產生的震波,最早在1878年由奧國物理學家馬赫(Ernst Mach,1838~1916)觀察記載,後來為了紀念他,音速的單位就以「馬赫」稱之。
隨著20世紀初萊特兄弟發明飛機,幾十年下來飛機愈飛愈快。但在螺旋槳戰機的末期,以及初期噴射機時代,人們發現飛機接近音速時,飛機前方「擠出」的震波,使得阻力加大,飛行變得不穩定,因此有「音障」(Sound Barrier)一詞出現,認為很難突破音速。
直到1947年,美國空軍的試飛員葉格,利用一架火箭動力的X-1實驗機,達到突破音障的目標。
科學家從X-1的經驗發現,「音障」基本上是阻力相對極大區,通過音障以後,理論上阻力會突然下降,速度或加速度都會迅速變高。之所以強調「理論上」,是因為飛機超音速之後,會有其他的問題:因為飛機超過音速之後,機翼升力的中心會猛然往後移動,可能會導致機鼻上揚。對於一般直翼或後掠翼的飛機來說,這種重心移動還不是太危險,但對三角翼飛機而言,因為翼弦(機翼前緣到後緣的距離)很長,因此重心移動幅度很大,機鼻上揚情況就非常劇烈。
1950年代美國海軍的兩種三角翼戰機,XF2Y海鏢式(Sea Dart)和F4D天魟式(Skyray),都面臨嚴重的機鼻上揚,甚至往往造成飛機當場解體:最後海鏢式放棄生產,天魟則限定不得超音速飛行。後來的設計師汲取教訓,才使得三角翼超音速戰機成為可能。
不過科學家學會駕馭震波之後,便利用它使飛機性能大為提升:例如超音速飛機已經問世超過一甲子,但噴射發動機吸入的空氣,仍須保持在次音速;如果超音速氣流直接「灌入」發動機,反而會使其失效。因此超音速噴射機的進氣道設計,都會製造一到多道震波,讓以超音速衝入機身進氣口的空氣,在到達發動機時,已經減速到1馬赫以下,使發動機「吞得下去」。同時由於氣流的減速,也使得壓力上升,如此一來更提高進入發動機內的空氣量,使得燃燒推力更大。
例如國軍現役的幻象2000,或是過去的F-104戰機,進氣口突出的半圓錐體,就是「震波錐」。當超音速飛行時,氣流會被這個錐體激出一道斜震波,與進氣道唇緣產生的正震波,共同達成減速加壓的效果。其中幻象2000的進氣錐甚至可在不同速度下前後移動,來保證最佳的震波狀況。而經國號與F-16,則採用較簡單的橢圓型進氣口,以進氣道的正震波來減速加壓。
觀察一架飛機的外型,就可判斷是否能夠超音速。例如一般次音速民航機,不必困擾音障的問題,所以機翼與發動機進氣道的前緣,都設計成圓鈍狀;發動機前端的壓縮器葉片,也可從前方直接看到。
這樣的設計,代表即使施以外力「硬推」,機身前緣也會產生極大的阻力,甚至發動機都將因為超音速氣流直接灌入,而導致熄火。
另外,震波甚至可以轉換為升力:例如1960年代初期,美國研發的XB-70女武神式(Valkyrie)超音速轟炸機,為了達到三馬赫高速飛行的目標,就運用了「壓縮舉升」(Compression Lift)的觀念。
XB-70採用三角翼,六具發動機的進氣口裝在機翼下方,在超音速時,進氣口會產生強烈的震波,使得整架飛機等於「騎」在高壓震波上。如此一來,機身下方氣流的壓力遠超出上方氣流,壓力差也就化為強大的升力。 |