比声音还快——漫谈超音速客机

万磁王

高超音速时的流体特性，注意除了人们熟知的边界层外，还有一层“熵层”

显然，waverider 的动力系统需要和气动外形高度整合，下激波的压力帮助提高发动机进气压力，下激波在发动机后的扩散，形成等效的扩散喷口，为超音速喷气加速

采用 waverider 原理设计的高超音速飞机，注意激波的下缘把飞机的底部包住，“托”起飞机

用计算流体力学设计的几种 waverider

一个典型的用“锥形流”设计的 waverider

　　高超音速毕竟比较科幻了一点，“普通”超音速比较现实一点。冲压发动机受到低速性能的限制，使用总是有点问题，脉动爆轰发动机（pulse detonation engine，PDE）在 0-M4 之间的性能良好，可能是超音速飞机最有潜力的动力。脉动爆轰发动机起源于在纳粹 V-1 导弹上出名的脉动喷气发动机。冲压发动机和脉动喷气发动机要算是最简单的喷气发动机了。冲压发动机必须要有一定的速度才能工作，脉动喷气发动机可以从零空速开始工作，所以脉动喷气发动机受到模型喷气飞机爱好者的喜爱。和涡轮和冲压发动机的连续工作方式不同，脉动喷气发动机是断续工作，用阀门控制吸气，然后阀门关闭，点火，燃气混合体燃烧膨胀做功，从喷口喷出去，形成推力，然后阀门打开，利用喷气喷出去在燃烧室内形成的负压，把新鲜空气吸进来，开始下一个循环。典型的脉动喷气发动机每秒可以进行 250 个左右这样的循环，V-1 导弹那样的大型脉动喷气发动机只有 40 次/秒。脉动喷气发动机的进气阀门的机械负荷相当大，工作条件恶劣，所以只能工作很短的时间，用在导弹上问题不大，用于飞机发动机，寿命是一个问题。法国的 SNECMA 提出一个无阀门的设计，用进气的动压和复杂形状进气道内的气体流动特性达到阀门的效果，但是工作条件受到一定的限制。脉动喷气发动机燃烧的时候，在升温膨胀过程中，压力还没有达到最高，燃气已经开始从喷口“漏气”，造成推力损失，大大增加油耗。V-1 导弹飞行的时候，尾巴后面拖着长长的火舌，就是这个原因。当然，像内燃机那样在喷口再加一个阀门，可以解决这个问题，但机械复杂性不说，这个阀门的工作条件更恶劣，可靠性更糟。脉动喷气发动机的噪声也很大，飞行中有特征性的响亮的“啪啪”声，所以老一辈的伦敦人称 V-1 导弹为 buzz bomb，意为“嗡嗡叫的炸弹”。说 V-1 只是“嗡嗡”叫，当然是伦敦人的幽默啦。

万磁王

脉动喷气发动机工作原理图，上图：阀门打开，吸进空气，和燃料混合；下图：阀门关闭，点燃燃气混合体，燃烧膨胀做功

　　 脉动喷气发动机和原理和结构都简单，由于在半封闭环境里间隙燃烧，效率受速度的影响很小，对于用作在很大的速度范围工作的超音速和高超音速飞机的动力很有利。但是脉动喷气发动机的效率太低，这是因为燃烧速度低于压力波传递的速度，换句话说，燃烧是在亚音速下进行的，而压力波以音速传递，燃烧的火焰前锋还没有传达到整个燃烧室，正在受热膨胀的燃气已经开始从喷口流出去了。如果燃烧速度高于音速，那受热膨胀的燃气就没有机会在火焰前锋传遍整个燃烧室之前逃逸，高油耗的问题就可以得到解决。高于音速的燃烧就是爆炸，这也是脉动爆轰发动机得名的原因，detonation 就是爆炸的意思。爆炸产生的压力大大高于燃烧，所以脉动爆轰发动机的单位油耗比常规的涡轮或冲压发动机低。脉动喷气发动机一般为每秒 250 个循环左右，还能感觉出明显的脉动，但脉动爆轰发动机要达到每秒几万个甚至几十万个循环，所以实际上是连续动力。
　　 脉动爆轰发动机的基本结构和脉动喷气发动机很相似，也有进气阀门和相应的无阀门设计。理论上，用足够强大的火花塞是可能点燃爆轰过程，但实际上一般不用常规的点火方式，而是用高能量的激波点火。在燃烧室外的预燃装置里，先用氢氧混合燃烧，用收敛-扩张喷管加速，产生高温高压超音速的激波，压缩点燃主燃烧室，和用原子弹点燃氢弹有点神似。管式的预燃装置由燃烧向爆炸过渡，所以称为 deflageration -detonation tube，DDT（不要和杀蚊子的 DDT 搞混了！），这是脉动爆轰发动机的技术关键。脉动爆轰发动机的挑战是显而易见的，平日对爆炸避尤不及，现在要人为地连续制造爆炸，对材料和控制系统的要求极高。但是脉动爆轰发动机在很大的速度范围内都保持很高的效率，是未来超音速、高超音速飞机的理想动力，前景可能比超燃冲压发动机还要好。好莱坞的超级烂片 Stealth 里面的超级战斗机用的就是脉动爆轰发动机，其火花塞一样的连续的“啪啪”声倒是颇为准确。

脉动爆轰发动机的工作原理图

脉动爆轰发动机的典型结构，注意中间的 detonation tube，这就是 DDT

脉动爆轰发动机的比冲是所有发动机中最高的，从零到 M4 性能都相对均匀

实验室规模的脉动爆轰发动机发动机

万磁王

　　超音速的基本气动设计没有问题，但音爆问题不解决，民用超音速飞行就难以发展。70 年代初在研究激波特性的时候，NASA 和 Cornell 大学的科学家们发现，只要对机身进行精细的修形，可以利用机身各部位产生的激波在相位上的差异，诱使它们互相对消，使传递到地面的 N 形波的强度减小，至少不再尖锐，减低音爆的影响。当时的计算能力有限，这个设想无法实现。2003 年，NASA 和 DARPA（国防先进研究局）合作，启动音爆修形演示计划（Shaped Sonic Boom Demonstrator），实际验证了这个想法的正确性。试验表明，音爆强度可以减低 1/3 左右。超音速航空国际公司（Supersonic Aerospace International，SAI）和洛克希德的“臭鼬工厂”合作，研制“安静超音速公务机”（Quiet Supersonic Busuness Jet，QSBJ），号称可以比协和式的噪声低 300-400 倍，地面的人们都不会注意到。

F-5 超音速飞行时的激波，显然，如果把几道不同的激波的相位弄好了，让它们互相干涉对消，是有可能大大削弱音爆的

NASA 对一架 F-5 进行特别修形，使超音速飞行所产生的激波互相干涉抵消，这是在试验中

Supersonic Aerospace International 的超音速公务机想象图，倒 V 形尾翼很有特色

凹进去、凸出来的机身不是为了好看，而是基于 NASA 的 Shaped Supersonic Boom Demonstrator 的结果，产生干涉激波，达到对消

　　然而，安静和经济的超音速客机的实现，最终有待种种先进技术走出纸面，这一天还没有到来。尽管军用飞机超音速飞行已经 50 多年了，协和式和图-144 也曾经展翅蓝天，但对于大多数 人来说，比声音还快，至今仍然只是一个梦想。
后记：
　　写《一个传奇的诞生》的时候，就有把没有用上的资料，专门写一个超音速客机的故事的念头。后来随心所欲，信马由缰，从伯伊德扯到大伯莎，直到现在才回到这个题目上来。写着写着，突然产生了感慨：我们常常在为了鸭式布局、高推重比涡扇发动机、线控等 70-80 年代的技术而争论，航空的前沿实际上已经远远超过了这些。PDE、scramjet、waverider 这些看似科幻的东西，可能不久就会变成现实。我们习惯于追踪当前的先进水平，常常忘了这实际上是 10 年、20 年前的前沿。是把眼光放远一点的时候了。

liumy

   想不到在专论小渦喷的网站上有此超音速飞行的强帖，拜读读了，版主辛苦。
  另先生问繁体字的问题，略作如下说明，其实我不会用汉语拼音敲字，书写靠一种叫‘汉王中书令’的写字扳，加之学而不精，出现繁体、白字等错处，请先生海涵。

万磁王

帖子是一位军事爱好者写的，我只是转来给论坛的朋友看的

先生能用书写的方式每次发帖都写那么多字，，让我们这些打字速度很快都不愿意多敲字的年轻人汗颜啊。敬佩啊{:soso_e154:}

AAC-1667

能做成PDF吗，LZ?