主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫

动力只是超音速飞行的难题之一，高超音速飞机的空气热动力学也是极大的挑战。高超音速时，空气从理想气体向实际气体变化，很多人们所熟知的物理规律不再适用，随马赫数的增高，飞行器表面的气动加热使边界层“受热膨胀”，阻力随速度的增加及巨增高，而雷诺数不再能够确切地描述流体边界层。空气的热力学性质和流体力学性质高度交联，空气动力学（aerodynamics）变为空气热动力学（aerothermodynamics）。在稀薄的空气中，空气分子的间距大大增大，空气不再能够用连续介质描述，而像互不相关的粒子，描述亚音速和超音速空气性质的Navier-Stokes方程也不再适用。

在研制洲际导弹时，弹头再入大气层的气动加热成为一个 大问题。NACA（NASA的前身）物理学家亨利·艾伦（Henry Allen）提出用钝头产生推离弹体的激波锥来吸收气动加热的能量，保护弹头，细节请见《回归地球母亲之路》。钱学森的老师冯·卡门第一个提出理论计算，正确地推导了激波锥的形状和位置。以后钝头设计成为洲际导弹和宇宙飞船再入体的标准设计。问题在于，钝头设计很好地解决了热防护的问题，但对再入过程中的机动飞行控制很不利，除了使用姿态控制火箭外，几乎没有办法控制再入飞行的轨迹。于是，美国空军和NASA开始研究升力体（lifting body），也就是用飞行器本身的形状而不是机翼产生升力和一定的气动控制力。升力体的研究很快就发展为waverider。Waverider直译为冲浪体，不知道正确的中文译名是什么。Waverider用和飞机机翼完全不同的机理产生升力。众所周知，机翼靠上下翼面之间气体的流速差导致压力差，进而产生升力。但是升力也可以由 飞行体前进对空气的动压产生。一个上平下斜的锲形体前行时，下斜面对空气的动压的压缩作用在产生阻力的同时，也产生升力，就像快艇拖着的滑水板一样。这个升力成为“压缩升力”（compression lift）。锲形体上表面应该是水平的，这一点很重要，否则不但产生不必要的阻力，还减小升力，因为向后上方倾斜的上表面可以产生“压缩降力”。机翼或者升力体的翼尖应该下反，将下面的压力包拢起来，达到最大的收效，B-70轰炸机的机翼就是这样的，上表面是水平的，翼尖下垂。但B-70只利用了压缩升力，还不是waverider。除了研究机外，B-70是已知的最早也是唯一的利用压缩升力的飞机，压缩升力为B-70增加35%的升力，所以B-70只能以M3飞行，否则航程要大大缩短。更有甚者，如果有一台发动机在空中故障，B-70应该打开加力以保持M3，这样的航程比减速巡航还要大。从飞机设计原理来看，一般认为，B-70是第一个从超音速向高超音速过渡的飞机。

滑水板产生的浮力是微不足道的，支持上面的人的重量主要靠对水的压缩升力

这个当然就比较搞笑了

N为空气动压，其垂直于水平面的分量就是升力

升阻比随迎角的增加而降低，如果不考虑机体表面磨擦阻力，零迎角时升阻比无穷大。意外的是，最大升力不是在45度角产生，而是接近55度角

机身向下的压力不光向下，也向两侧作用，下垂的翼尖可以把这“流散”的压力包拢起来，增加有效升力

最后机翼就形成了很有特征性的下垂，下垂的翼尖在高速时也有助于方向稳定性，但这不是主要功能

翼尖已经下垂的B-70。下垂的翼尖不是为了增加方向稳定性，而是为了帮助产生压缩升力

就是在拍这组照片的时候，伴飞的F-104和B-70空中相撞

机尾被撞掉的B-70正在坠落

Waverider比压缩升力更进一步，利用坚硬如铁的激波托底，尽量减小机体下部和下激波的间距，进一步强化压缩升力。超音速飞行产生大体为锥形的激波，具体形状由飞行器的头部决定。如果弄好了的话，将压缩升力“坐”在下激波上，就好像把下激波当作地面的地面效应飞行器一样。由于激波大体是锥形的，waverider的“翼展”应该正好在激波锥的直径以内，这样可以省却普通压缩升力所需要的下垂的翼尖。Waverider的“翼展”太小了，压缩升力要从两边“漏气”，降低升力效率；太大了，机体要进入激波区，带来不必要的阻力和结构应力。从另一方面讲，要在激波锥内达到“气密”，决定了waverider的基本形状在水平面上是锐角等边三角形的，和激波的锥形相符，三角形的角度就要看工作速度下激波锥的形状了。英国北爱尔兰贝尔法斯特的女皇大学（Queen’s University）的Terence Nonweiler在51年首先发现这个道理。早期时，Nonweiler只能用二维的计算来研究waverider。随着计算机的发展，越来越多的研究者开始用三维的方法研究，复杂形状的waverider也开始出现。由于激波的形状很尖锐，waverider经常是瘦长尖锐的形状，不利于机内容积，所以waverider的顶部也常常在不影响压缩升力的情况下，沿中线靠后的上部形成一个拱起的脊背，以增加机内容积，便于装载人员和燃料。X-43 采用升力体设计，也就是靠机体的形状本身产生升力，而不用机翼。X-43的纵剖面也同时采用了waverider的原理设计机体，利用激波产生升力，但水平面的形状却不是三角形，只能说是不彻底的waverider，或者是超过常人理解的waverider也不一定。

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

• 谢谢喜欢“米格的天空”
• 这个乘波体和压缩升力是一回事