物理科学探疑-划时代技术-空气中超音速飞行的减少阻力的一种设计原理分析
空气中超音速飞行的减少阻力的一种设计原理分析
志勰
对空气中高速运动物体的受力分析
一、引言
在地球大气中以超音速飞行的运载工具，目前除了军事的用途之外，还没有进入民用的领域。但是如果追求更高的运行效率来减少飞行时间，那么超音速是一个必须跨过的障碍领域。但由于音障的存在，一方面是需要大推力的发动机来作为飞机的动力，另一方面跨越音障，对于大型的客机而言，会存在很大的风险。本文就针对超音速飞行过程的力学原理进行最基础的力学分析。以飞机飞行为主要的分析对象。
二、飞行的动力原理
任何一种飞行器在大气中飞行，必须首要满足的条件是力学的稳定性。该稳定性是指三方面：
第一方面是指飞机具有足够前行的动力。该动力主要是指发动机。
第二方面是指飞机具有足够的力学稳定性。该力学稳定性是指飞机的结构、外形设计。飞机在飞行的过程中会承受空气和飞机本身的动力平衡条件下的力学平衡，这个力学平衡不能使飞机有任何损坏、结构改变等，而使自己保持确定的稳定性。
第三方面是指飞机具有航空动力学的稳定性。这个稳定性是指飞机的外形，使飞机在空中飞行时，能保持稳定的动力学平衡，即：飞机的外形在空气中运行所产生的浮力等于自身重力的稳定性。这个通常是通过飞机在飞行过程中通过飞控系统调节飞机的状态如仰角、尾舵等改变飞机周边的空气气流来实现。
飞行器必须满足如上三个条件，才能使飞机在大气中稳定的飞行，不论是飞机、导弹还是火箭，都必须满足的条件。
二、飞行物体和空气的关系
空气是由气体分子组成的，它们在作物规则的分子热运动。声源发出的震动，会通过空气分子的分子热运动传播，因此声音的传播速度就近似等于分子的运动速度。
在统计学上我们通常采用三维立体坐标来统计分子运动的方向，因此我们可以大概得到空气分子在沿一个运动方向上运动的分子数量为总数量的六分之一。如图：
1、当物体的运动速度小于气体分子的运动速度时（小于音速），我们假设的理想情况只有六分之一的气体分子发生正面碰撞。下面仅考察一个空气分子给与物体的作用变化。
当物体以速度V运动时，物体和前方空气分子的相对速度为V物体+V气体分子，和后方空气分子的相对速度为V气体分子-V物体。物体和气体分子的碰撞前后则会存在如下的关系：
物体运动前方碰撞后分子的动量增量数量增加了2M气体分子V物体,这个是阻力的量。
物体运动后方碰撞后分子的动量增量数量减少了2M气体分子V物体 ，这个是给与物体运动方向的运动减少的量。
假设这个物体是绝对光滑的，那么在非运动方向的四个面上，分子的动量增量不变。实际上，物体表面都是凹凸不平的，非运动方向的四个面上，运动物体在运动的过程中和空气分子的碰撞在凹面里就会变为物体运动前方的碰撞，即空气的摩擦阻力。这里我们不去考虑，仅当作理想的光滑物体碰撞来看。
物体运动损失的动量就需要动力系统来补充，这样物体的运动速度才不会被降下来。我们需要补充的动量为4M气体分子V物体。
2、当物体的运动速度大于气体分子的运动速度时（大于音速），那么物体运动前方所有的气体分子都会和物体发生碰撞。沿物体运动方向运动的的气体分子其运动速度则V物体-V气体分子<v< V物体+V气体分子,碰撞动量增量则分如下两种速度界限。
第一种是沿相反运动方向运动的六分之一的气体分子，该速度相对于运动物体的相对速度最大，该气体分子相对于物体的运动速度为V物体+V气体分子。假设该碰撞为一维弹性碰撞，那么碰撞后产生的阻力为(1/3)M气体分子（V物体+V气体分子 )。
第二种是沿物体相同运动方向的六分之一的气体分子，该速度相对于运动物体的相对速度最小，该气体分子相对于物体的运动速度为V物体-V气体分子。碰撞后产生的阻力为(1/3)M气体分子（V物体-V气体分子 )。该部分的阻力增量是在超音速之后增加的量，该部分的气体分子在物体低于音速飞行时是不存在的。由于气体分子的运动速度大于物体飞行的速度。气体分子只见相互碰撞之后，会快速飞离飞行物体的前方。当物体飞行的速度接近声速或者等于声速。该部分气体分子相互碰撞后，在沿飞行物体的飞行方向上则会和飞行物体保持近似相对静止，形成空气分子和飞行物体同步飞行的现象。这使飞行物体前方的空气密度相对增大。
3、当物体的运动速度大于气体分子的运动速度时（大于音速），那么物体运动前方所有的气体分子都会和物体发生碰撞。与运动方向相互垂直的四个面运动方向的气体分子，其和运动物体的平均碰撞角度则会大于45度。这是超音速飞行阻力快速增大的主要原因之一。
4、当物体的运动速度大于气体分子的运动速度时（大于音速），在飞行物体的与运动方向垂直的四个面上，空气分子与其平均碰撞角度也将会大于45度。这也是超音速飞行阻力快速增大的主要原因之一。理想中的绝对光滑的物体可以当作零看待，但现实物体的材料不能保持这样的光滑度，在音速时这导致阻力快速增大。也就是我们通常所说的摩擦力。
5、在如上的处理过程中采用单个气体分子作用来处理。在实际的处理上都是采用空气动力学来处理。但这样的分析和采用空气动力学并不矛盾，比如我们在第四个小标题中的飞行物体侧面阻力问题上，当飞行物体推开前面的空气飞行时，会在物体的侧面产生一个密度较大的薄层，气体分子和这个薄层碰撞的过程中会将这个碰撞方向的作用传递给飞行物体。
6、 另一点需要特别说明的是，当飞行物体相对于空气的飞行速度大于音速时，流体动力学则不再适用。主要原因在于飞形物体前方的气体分子相对于飞行物体而言，已经不是在做杂乱无章的运动，而是所有的气体分子相对于飞机都存在相对速度。它们相对于飞行物体来说来说都是粒子流，以至于和飞机相互作用的气体分子和飞机作用都可以当作相对碰撞的个体处理，而不是作为气体。流体动力学中的规律则不再适用。我们可以看下面的这个图：
当飞行物体相对于空气的速度为零的时候，可以空气看为是标准的气体。当飞行物体相对于空气的运动速度小于气体分子的平均运动速度时，那么空气可以看作是流体，主要是流体的属性。当飞行物体相对于空气的运动速度大于气体分子的平均运动速度时，那么空气则不能看作流体了，气体分子的属性主要是粒子流的属性。飞行物体相对于空气的相对速度越接近于零，空气流体的属性越强。相反，飞行物体相对于空气的相对速度越远离气体分子的气体分子的运动速度，那么粒子流的属性越强。气体分子的运动速度（音速）就是分界点。
在这里说明一下，粒子流和等离子体是不同的。粒子流和物体作用主要是粒子的属性。等离子体是指的本身的温度状态或者本身的属性。
三、高速飞行的两个阶段
高速飞行过程中必须经过两个阶段才能到达高速的状态，第一个阶段是从零到音速，第二个阶段就是超音速飞行阶段。在这两个阶段中，跨越音速则成了很重要的一个关键节点。在二战以后，喷气发动机诞生之前，音速是人类航空不可逾越的极限速度。人类航空的动力系统主要是通过螺旋桨动力系统，通过螺旋桨的高速旋转，使气体给螺旋桨提供一个反向的作用力，利用这个作用力作为动力飞行。但是当飞机相对于空气的速度接近气体分子的平均运动速度的时候，空气分子和螺旋桨的作用则变成空气分子粒子流性质冲击螺旋桨，接近音速的过程中将不能获得任何动力了。这一点就是随着飞机和空气的相对速度所形成的相对作用属性所形成。
后来采用喷气式发动机之后，动力系统打破了传统螺旋桨飞机在接近音速的作用局限性。可以在飞行物体的速度接近音速的时候，飞行物体所获得的动力不受影响。但是在低于音速和超音速之间的的跨越上，则存在一个比较大的问题。这个问题就是跨越音障的问题。由于在技术突破的过程中，人们所观察到的现象仅和速度有关，就是接近音速到超越音速的这个速度过程。在直观上，把它称为音障。
实际上这样的解释并不是合理的，是和飞机跨越这个速度过程中空气分子和飞机的作用属性完全不同所导致。即空气给与飞机的作用是处于流体力学的属性到粒子流的作用属性过渡的阶段。音障在纯粹的动力学方面，声音的作用仅仅是一个形式，当然，也有它一定的因素，但这个因素不是决定性的作用。起决定性的作用的原因主要是空气和飞机的作用属性发生了改变。
1、传统的音障
传统的解释是飞机在接近音速的过程中，飞机发动机以及飞机本身在空气中的高速飞行所发出声音传递到飞机的前方，由于飞机的飞行速度接近音速，那么所有的音波就在飞机前方形成能量的不断叠加集聚，形成震波。对飞行器的加速形成障碍。跨过超音速后，飞行器的前端会产生一股圆锥形的音锥。如图：
2、音障解释的力学原理与飞机针对音障的设计要求
飞机从略低于音速加速向超音速的过程中，理论上来说声音强度的确在不断的集聚，声音的强度在不断的加强。但是我们考虑到频移，那么空气分子的音波作用相对于飞机而言，并没有以地面观测者为参照系来计算的强。但在频移的过程中，音波集聚相对于飞机的周期性的作用则会呈逐渐过渡的趋势，随飞机相对于空气分子的相对速度的增加而时间缩短。那么音波和飞机的共振择是发生在从接近音速到音速的这个过程。当达到音速的时候，飞机前端集聚的音波的周期性作用接近于零。那么飞机就不存在共振了。因此飞机在跨越因素的时候，飞机本身的共振周期对飞机形成一个巨大的威胁。
根据如上的原理，我们可以得到这样一个简单的关系：
在垮越音速过程中，当满足（飞机发动机发出声音的频率-音波频移的频率=飞机本身固有共振频率）的时候，那么飞机将会发生共振，飞机将会在达到这一速度的时候，容易解体。所以飞机设计的共振频率不能出现在这一频率段。
另一个需要说明的是，飞行过程中飞机发动机所发出的声音不是唯一的，飞机推开前方的空气所产生的激波，也需要考虑在内的。
3、音障解释的疑点
飞机的飞行速度接近音速，所有传递到飞机前方音波就在飞机前方形成能量的不断叠加集聚，形成震波。这些波的传播方向是沿飞机的飞行方向，而不是相对于飞机。那么无疑所形成这个能量震波不能从力学上给飞机形成阻碍。而且超越音速的瞬间飞机和音波处于相对静止状态，那么更没有理由阻碍飞机向前的动力。因此，音障的关键不是声音给与飞机所形成的障碍。而应该是其他的因素，即飞机在音速时和空气作用的作用因素，力学因素。而不是声音本身。
4、一种“音障”的解释
我们看到“突破音障的瞬间”的图片，一个直接的感觉就是有一层无形的阻力，在阻碍飞机穿越这个屏障。传统的对这个屏障的解释有点问题。我们从力学上看不到声音阻碍飞机的这种屏障。那么这里我提出一种新的看法。
如图：
图中的小黑球是飞行物体，该飞行物体在跨越音速过程中会发出一系列的波，这列波在飞行物体达到音速的时候，会在波传播的交汇点上形成一个波阵面，这个波阵面能量集聚的最大，并且遵守该面上距离飞行中线越远，能量越弱，每一个点上，同发出该波声源的距离平方的乘积成反比。所以在达到音速时，在这个音波能量最集中的区域会产生音波周期性的震动，这个震动会导致空气密度和压力由极大到极小的快速转化。空气中的水会在这个过程中经历雾化的过程，就是我们所看到的白雾状的圆锥。
5、侧向的阻力
假设图中的黑球是空气分子，它垂直于物体的运动方向和物体碰撞。当物体的运动速度小于音速时，空气的属性是流体的性质。但是当运动物体的运动速度等于或者大于音速时，那么空气和运动物体的作用属性就会表现出粒子流的属性。此时，气体分子和物体的平均碰撞角度呈45度或者大于45度的角度。我们假设物体飞行的过程中，推开前方的空气在物体周围形成一个薄薄的气层，那么该气体分子的碰撞通过和薄层气体的碰撞传递给物体，物体单位时间内所接收到的碰撞次数和L/v成正比。其中L为物体的长度，v为物体运动的速度。也就是说，物体运动的速度越快，所接收到的碰撞次数越少。如果我们假设侧向的空气分子和飞行物体碰撞角度是常数，那么可以得到这样的结论，速度越过音速的高速运动物体，侧向阻力趋近于常数，即飞行物体的侧向阻力在越过音速以后，该值为一确定的恒值，与飞行物体的速度无关。当然，这个假设本身有点问题，超音速后随着飞机相对于空气分子速度的提升，测向气体分子的碰撞角度会发生变化，测向阻力增大极为有限，但该阻力相当于不大于飞行物体在音速时，测向气体分子瞬时时间内给物体所有测向一维碰撞所产生的阻力。不论该物体的运动速度有多快。这个结论是针对于图中的标准长方体飞行物体。
减少侧面的阻力对于高速飞行物体来说，关键在于减少侧面的空气分子和侧面碰撞的角度，倒圆锥的形状是减少高速飞行物体侧面阻力的因素。如图：
四、高速飞机外形的结构
前面已经说过飞机的外形必须具有足够的力学稳定性、航空动力学的稳定性。对于高速飞机而言，还必须具有一个最大的特点，即：最大限度的减少阻力。
在二战后，人类航空史跨越音障的过程中，在实践的过程中认为突破音障必须让飞机具有穿越音障结构特点，主要归于如下两点：
第一、宽高比：即机翼厚度与翼弦的比率。以亚音速的活塞式飞机来说，轰炸机的宽高比为17%，歼击机是14%但对超音速 超音速飞机来说，厚弦比就很难超过5%，即机翼厚度只有翼弦的二十分之一或更小，机翼的最大厚度可能只有十几个厘米。
第二、超音速飞机的翼展(即机翼两端的使离)不能太大，而是趋向于较宽较短，翼弦增大。设计师们想出的办法之一，是将机翼做成三角形，前缘的后掠角较大，翼根很长。从机头到机尾同机身相接(如幻影-2000)。
——百度百科
高速飞机和低于音速的飞机，受力不同的地方就在于高速飞机所面对的是空气的粒子流属性，而且速度越高，空气分子和飞机的作用粒子性越强。主要的阻力几乎依赖于飞机飞行时穿越空气的截面积。而低于音速的飞机则几乎关系不大，流线型的设计是减少阻力的方案，和飞机的截面积关系不大。飞机和空气的作用遵守流体力学的关系。
二战后对飞机的结构改变也是依赖于这两个作用特点。减少机翼的厚度，所起的主要作用就是减少飞机飞行的截面积。而采用后掠角较大的关键作用就是具有力学的稳定性。
对于超音速高速飞机，机外增加一些截面积，如战斗机的外挂导弹已经不适合超音高速飞机的设计原理了。另一方面，飞机外表的光滑度对于减少阻力已经非常关键了。前面说过这个问题。绝对光滑的物体侧向的阻力对于超音速飞机来说，几乎没有任何阻力，而普通的物体则会承受比低音速飞机更大的阻力，因为流体力学已经不再适用。遵守粒子流属性。
说明本文是对物体在介质中运动动力的原理——空气动力对于一部分问题如音障的修正。
2010.11.07
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