話說聲障

涵薏

在基礎物理學中，科學家們很早就測得了聲音在空氣中的傳播速度：在一個標準大氣壓和15℃的條件下聲速為340米/秒，大約是1224公里/小時（約760英里/小時）。大于這個速度就被稱為超聲速。

1740年，歐洲人羅賓斯在進行炮彈實驗時，發現當炮彈時速超過820英里，即大于聲波在空氣中的傳播速度時，炮彈受到的阻力會突然增加，遠遠偏離牛頓的平方阻力公式。但是，超過聲速以后，阻力又開始下降，逐漸趨向正常。這種阻力在聲速附近突然上升的現象，就稱為“聲障”。

二戰后期，戰斗機的最大速度已超過每小時700公里，聲障問題再次進入人類的視野中，這種情況曾使高速戰斗機飛行員們深感迷惑。因為每次當他們的飛機飛行速度接近聲速時，飛機操縱都會產生奇特的反應，比如：會突然失去速度和升力，發生顫振和抖動。如果處置不當，飛機會散架，機毀人亡，且事故發生率很高。

后來，科學家們發現了其中的原因，當飛機的飛行速度比聲速低時，同飛機接觸的空氣好像“通信員”一樣，它們會向前“通知”前面即將遭遇飛機的空氣，使它們主動“讓路”。但當飛機的速度超過聲速時，飛機前面的空氣因來不及躲避而被緊密地壓縮在一起，堆聚成一層薄薄的波面，這種波面的學術名詞叫“激波”。在激波后面，空氣因被壓縮，壓強會突然升高，這阻止了飛機的進一步加速，也可能使機翼和尾翼劇烈振顫而發生爆炸。

20世紀20～30年代，科學界持續進行著有關于跨聲速流動的理論研究，但是沒有產生重大突破，聲障難題阻礙著當時世界航空工業的發展，即便是世界頂尖物理學家，也很少有人敢挑戰聲障。

轉機出現在20世紀40年代，當時在航天工程學家馮·卡門的領導下，有一批科學家聚集在美國加州理工學院的古根海姆航空實驗室，為攻克這個堡壘進行了大量艱苦的研究工作。最后突破理論難題的是來自中國的科學家郭永懷，當時他廢寢忘食地花了4年時間，用最基礎的計算器解決了這個難題。郭永懷發現了跨越聲速的一些現象，提出了“上臨界馬赫數”概念并得到了實驗證實，這個概念的提出為解決跨聲速飛行問題奠定了堅實的理論基礎。

郭永懷還進一步用穩定性理論解釋了實際臨界馬赫數會介于上下臨界馬赫數之間的原因，這也是對高性能氣動外型設計的先驅性工作。他還對激波和邊界層進行了深入研究。邊界層是飛機飛行的時候表面上很薄的一層，在幾十米長的機翼上，邊界層厚度大概只有10厘米。在研究邊界層的過程中，郭永懷運用了一個特別棒的數學方法，這個方法后來被稱為“龐加萊—萊特希爾—郭永懷”方法，簡稱PLK方法，用處非常廣，解決的都是各種實際問題。

今天，郭永懷的長達100頁的博士論文還留在美國NASA，其中的研究成果依然在指導著美國的飛機制造。突破聲障的技術難題，使飛行器尤其是戰斗機進行超聲速飛行甚至巡航成為了可能。

聲障難題在實踐中的最終破解是在科學家、工程師、設計師攜手努力下完成的。在實際操作中，科學家們發現飛機要突破聲障需要在其外形設計方面下功夫，將機翼設計得更薄，部分主制造商還將機翼做成了三角形等特殊形狀。

1947年10月14日，美國試飛員查爾斯·耶格爾駕駛X-1驗證機在12800米的高空飛行速度達到1278公里/小時，這是人類首次突破聲障。之后可以超過聲速的飛機也被稱為超聲速飛機。

超聲速客機出現在20世紀60年代末。1969年6月5日，前蘇聯研制的圖-144首次實現超聲速飛行。1973年6月3日英法聯合研制的“協和”號和前蘇聯研制的圖-144在巴黎航展上亮相，都進行了精彩表演，最終“協和”號安全著陸，但圖-144在空中解體，墜落在距離機場5公里外的古桑維爾村，飛機上6名機組人員和地面8人不幸罹難。

1976年，“協和”號實現了商業客運飛行。1977年11月，圖-144也迎來了史上第一次載客飛行，這架航班號為SU499的班機，執飛了從莫斯科到阿拉木圖（當時的哈薩克斯坦首都）的航線，3000多公里的航程在兩個小時內完成。

因為安全性問題，1983年7月1日，蘇聯政府下達了461-169號令，圖-144從此停產停運。2003年10月24日，“協和”號也步了圖-144的后塵，英國航空公司的一架“協和”號客機完成了人類歷史上最后一次超聲速客機載客飛行。

至此，人類歷史上第一個超聲速客機時代正式結束。下一個，目前尚未開啟。可以肯定的是，人類的探索不會就此停步。