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塞斯纳庞巴迪

激波阻力

  飞机在空气中飞行时,前端对空气产生扰动,这个扰动以扰动波的形式以音速传播,当飞机的速度小于音速时,扰动波的传播速度大于飞机前进速度,因此它的传播方式为四面八方;而当物体以音速或超音速运动时,扰动波的传播速度等于或小于飞机前进速度,这样,后续时间的扰动就会同已有的扰动波叠加在一起,形成较强的波,空气遭到强烈的压缩、而形成了激波。


  空气在通过激波时,受到薄薄一层稠密空气的阻滞,使得气流速度急骤降低,由阻滞产生的热量来不及散布,于是加热了空气。加热所需的能量由消耗的动能而来。在这里,能量发生了转化--由动能变为热能。动能的消耗表示产生了一种特别的阻力。这一阻力由于随激波的形成而来,所以就叫做"波阻"。从能量的观点来看,波阻就是这样产生的。

  从机翼上压强分布的观点来看,波阻产生的情况大致如下;根据对机翼所作的实验,在超音速飞行时,机翼上的压强分布如图所示。在亚音速飞行情况下,机翼上只有摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。它的压力分布如图中虚线所示。对图中两种不同的飞行情况压强分布加以比较,可以看出:在亚音速飞行情况下,最大稀薄度靠前,压强分布沿着与飞行相反的方向上的合力,不是很大,即阻力不是很大,其中包括翼型阻力和诱导阻力。

  可是在超音速飞行情况下,压强分布变化非常大,最大稀薄度向后远远地移动到尾部,而且向后倾斜得很厉害,同时它的绝对值也有增加。因此,如果不考虑机翼头部压强的升高,那么压强分布沿与飞行相反方向的合力,急剧增大,使得整个机翼的总阻力相应有很大的增加。这附加部分的阻力就是波阻。由于它来自机翼前后的压力差,所以波阻实际上是一种压差阻力。当然,如果飞机或机翼的任何一点上的气流速度不接过音速,是不会产生激波和波阻的。

  阻力对于飞机的飞行性能有很大的影响,特别是在高速飞行时,激波和波阻的产生,对飞机的飞行性能的影响更大。这是因为波阻的数值很大,能够消耗发动机一大部分动力。例如当飞行速度在音速附近时,根据计算,波阻可能消耗发动机大约全部动力的四分之三。这时阻力系数Cx急骤地增长好几倍。这就是由于飞机上出现了激波和波阻的缘故。

  由上面所说的看来,波阻的大小显然同激波的形状有关,而激波的形状在飞行M数不变的情况下;又主要决定于物体或飞机的形状,特别是头部的形状。按相对于飞行速度(或气流速度)成垂直或成偏斜的状态,有正激波和斜激波两种不同的形状。成垂直的是正激波,成偏斜的是斜激波。

  在飞行M数超过 1时(例如M等于 2),如果物体的头部尖削,象矛头或刀刃似的,形成的是斜激波;如果物体的头部是方楞的或圆钝的,在物体的前面形成的则是正激波。正激波沿着上下两端逐渐倾斜,而在远处成为斜激波,最后逐渐减弱成为弱扰动的边界波。斜激波的情况也是一样的,到末端也逐渐减弱而转化为边界波。在正激波之后的一小块空间,气流穿过正激波,消耗的动能很大,总是由超音速降低到亚音速,在这里形成一个亚音速区。

  M数的大小也对激波的形状有影响。当M数等于 1或稍大于 1(例如M= 1.042)时,在尖头(如炮弹)物体前面形成的是正激波。如果M数超过1相当多(例如M=2.479),形成的则是斜激波。

  正激波的波阻要比斜激波大,因为在正激波下,空气被压缩得很厉害,激波后的空气压强和密度上升的最高,激波的强度最大,当超音速气流通过时,空气微团受到的阻滞最强烈,速度大大降低,动能消耗很大,这表明产生的波阻很大;相反的,斜激波对气流的阻滞较小,气流速度降低不多,动能的消耗也较小,因而波阻也较小。斜激波倾斜的越厉害,波阻就越小。

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