接近音速飛行的噴火式戰鬥機
1947 年10月14日，美國試飛員查克·葉格（Chuck Yeager）完成當時很多人認為不可能實現的壯舉。葉格成為世界上第一個飛得比音速還要快的人，他是被綁在 Bell X1 噴氣式飛機的座位上完成這項壯舉的，但他卻是忍著痛苦完成的——此前幾天，在一次騎馬事故中，他摔斷了兩根肋骨。
（圖片來源：Getty Images) 雖然葉格青史留名，但在他創下此次壯舉之前，還有其他飛行員也曾非常、非常地接近他的記錄，此前幾年，他們也曾挑戰這個空氣動力學障礙。有些人甚至活下來講述其經歷。更令人不可思議的是，他們用的飛機實際上無法以音速飛行。即使接近音速飛行，也會導致飛機解體。 幾次噴火式戰鬥機（一種單座戰鬥機，曾幫助英國贏得不列顛戰役）的飛行，為科學家理解飛機受力情況幫了大忙，克服了這些受力，飛機才能飛得比聲速還快。 噴火式戰鬥機剛好在二次世界大戰之前實現上天，它是設計師霍金納德·米切爾（RJ Mitchell）的作品。 之後的噴火式戰鬥機機型在水平飛行中速度可以遠遠超過 400 英里/小時，這要歸功於勞斯萊斯·梅林發動機和四葉螺旋槳，是它們幫助增加了使飛機前進的推力。噴火式空中照相偵察機飛得要更快，因為它們不用搭載機關槍或彈藥，減輕了飛機承重。 在飛機高速俯衝中收集到的信息幫助查克·葉格在 Bell X1 噴氣式飛機上完成了創紀錄的飛行。（圖片來源：Getty Images) 這種飛機的卓越性能也自然使其成為試飛對象，尤其是用於高速飛行研究。正是這些飛行，讓一些噴火式戰鬥機飛行員駕駛飛機進入前所未知的領域，他們要克服接近聲速飛行時所發生的陌生的空氣動力學問題。 據著名試飛員「小河螺」埃里克·布朗（Eric 『Winkle』 Brown）在《Wings on My Sleeve》一書中所述，高速試飛始於 1943 年後期。在此試飛計劃中，英國皇家空軍中隊長 J·R·托賓（J R Tobin）駕駛一架 Mark XI 噴火式戰鬥機以 45 度角俯衝，最大速度達到 606 英里/小時（975 公里/小時），或者馬赫數達到 0.89（馬赫數 1 為聲速的技術術語）。這是噴火式戰鬥機曾達到的最大速度，至少是活下來講述這個經歷的試飛員所達到的最快速度。但很快就有了更加激動人心的飛行。 1944 年 4 月，英國皇家空軍中隊長安東尼·F·馬丁代爾（Anthony F Martindale）駕駛完全一樣的 Mark XI 噴火式戰鬥機俯衝飛行。這次試飛中，減速裝置的設計避免了飛機的失速。飛機猛衝向地面時，飛機螺旋槳脫落，俯衝速度超過 620 英里/小時（1,000 公里/小時），馬赫數達到 0.92。 簡單的物理學原理救了馬丁代爾的命。沉重的螺旋槳脫離後，飛機尾部變重，這種重心變化迫使俯衝中的飛機高速爬升。馬丁代爾在爬升中的壓力作用下失去知覺，蘇醒時他發現飛機正在 40,000 英尺（13 公里）高空飛行。他最終設法讓飛機完好無損地飛回基地。飛機俯衝產生的壓力弄彎了機翼，使其略帶掃掠面的形狀，這種形狀最終將幫助其他飛機實現超音速飛行。 英國皇家航空學會空氣動力小組主席羅德·歐文（Rod Irvine）解釋說，飛機在提速時，機翼上的氣流導致機翼產生這種翹曲變形。他表示，「馬赫數接近 0.85 或 0.95 時，機翼上就會產生這種亞音速氣流，因此飛機開始加速，達到超音速。氣流到處輕擊飛機，就好像飛機自身開始搖動一樣，因為在空氣動力學研究中就能觀察到這種根本變化。」歐文表示，這個問題今天依然存在，空中客車 A380 這樣的大型客機飛行速度再快，也不會導致機翼上的氣流達到超音速，因為這會導致飛機振動和衝擊。 像噴火式戰鬥機這樣的飛機還存在另一個大問題——螺旋槳本身。老飛機都有一個螺旋槳與發動機直接相連——動力越大，螺旋槳旋轉得也就越快。即使飛行速度低於 300 英里/小時（480公里/小時），在這些飛速旋轉的葉片上穿過的氣流速度也可超過聲速。在螺旋槳葉片上飛速穿過的氣流會形成衝擊波，繼而導致阻力、振動和噪聲增加。 美國華盛頓特區史密森尼航空航天博物館館長傑裏米·金尼（Jeremy Kinney）表示，噴火式戰鬥機的設計師 RJ ·米切爾早在 1920 年代初設計高速飛機時就深知螺旋槳存在的問題。 美製 P-51 野馬式戰鬥機也被用於高速飛行，為實現超音速飛行鋪平道路（圖片來源：Getty Images) 金尼表示，「如果你站在 1923 年懷特島考茲一次飛行比賽中用過的一架飛機下，當飛機在上空掠過時，你會聽到叮叮當當的敲擊聲。這是螺旋槳達到超音速的信號。」米切爾及其同時代的人認識到，簡單連接螺旋槳，讓它轉速不斷增加，並不能幫助飛機速度不斷增加。變距螺旋槳效率會更高，它能自動匹配發動機的轉速，從而能幫助噴火式戰鬥機這樣的飛機飛得更快。 金尼表示，但它也只能飛得這麼快。他表示，「活塞發動機和螺旋槳的組合是速度不斷增加遇到的典型限制，這也造就了渦輪噴氣式飛機這場里程碑式的革命。活塞式發送機每分鐘的轉數只能達到那麼高。」 金尼表示，「一直存在這樣的思維範式，至少對 20 世紀前半葉而言如此，那就是飛機必須要飛得更高、更快和更遠。但要製造能達到超音速的螺旋槳，需要投入的努力實在是太大了。忽然之間，噴氣式發動機就能具備這種能力，你還有什麼理由再嘗試其他呢。」 能高速俯衝噴火式戰鬥機，還有美製 P-51 野馬式戰鬥機、P-47 雷霆式戰鬥機這樣的盟軍戰鬥機，都幫助研究人員見識了超音速飛行所帶來的巨大挑戰。它帶來不同飛機形狀的開發，新的飛機形狀解決了超音速飛行中遇到的衝擊波問題。尖頭、較小的機翼和光滑的機身都限制了衝擊波所產生的影響。這些特點與葉格駕駛的 Bell X1 噴氣式飛機非常之像。 請訪問 BBC Future 閱讀 英文原文。 （責編：友義）