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文献检索与科技论文写作课程总结报告
——超音速巡航飞机
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在今年的十一月十一日至十一月十六日，第十届中国国际航空航天博览会在广东省珠海市航展中心举行。最新型无人机和攻击型直升机等很多新型武器会在航展上首次公开，其中还包括一些新型的超音速巡航战机、超音速巡航无人机等。借此之际，我在本次文献检索与科技论文写作演讲中选择介绍超音速巡航飞机，并在课程总结报告中从超音速相关现象、喷气式发动机的结构原理、超音速巡航相关概念知识、超音速巡航飞机发展历程等几个方面来介绍超音速巡航飞机。
一、超音速
1、概念：
超音速（supersonic）简单说，是指超过环境中音速的速度。在海平面高度，20度空气中的音速大约是343米／秒（约等于1,125呎／秒、768英里／小时或1,235千米／小时）。一倍音速定义为1马赫（Mach），因此超音速常以音速倍数——马赫数为量度单位。超过5马赫的速度有时候称为超高音速（hypersonic）。物体只有一些部份（例如转子叶片的末梢）其周遭空气是超过音速的情形称为穿音速（transonic）；出现这种情况，常见的物体速度值是介于0.8马赫与1.2马赫之间。且当物体跨越音速的过程中会发生诸多物理现象如音障、音爆、普朗特-格劳厄脱凝结云等。
2、音障：
音障（Sound barrier），是一种物理现象。当物体（通常是航空器）的速度接近音速时，将会逐渐追上自己发出的声波。此时，由于机身对空气的压缩无法迅速传播，将逐渐在飞机的迎风面及其附近区域积累，最终形成空气中压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面——激波（Shock Wave，又译冲击波、骇波或震波）面。激波的形成是超音速飞行的典型特征。激波面将增加空气对飞行器的阻力，这种因为音速造成提升速度的障碍被俗称为音障。
3、激波：
（1）概念：激波属于紊流的一种传播形式。如同其他通常形式下的波动，激波也可以通过介质传输能量。在某些不存在物理介质的特殊情况下，激波可以通过场，如电磁场来传输能量。激波的主要特点表现为介质特性（如压力、温度、或速度）在激波前后发生了一个像正的阶梯函数般的突然变化。与此相应的负的阶跃则为膨胀波。声学激波其速度一般高于通常波速（在空气中即音速）。
不像孤波（另一种形式的非线性波），激波随距离的增加耗散很快。而且，膨胀波总是伴随着激波，并最终与激波合并。这部分抵消了激波的影响。声爆，一种超音速飞机通过时产生的声学现象，即是由激波——膨胀波对的耗散和湮灭所产生的。
（2）超音速流动中的激波：激波是气体超音速流动时产生的压缩现象之一。其他两种形式是等熵流动和普朗特——麦耶流动。对于给定的压强比，不同的压缩方式将产生不同的温度和密度，其结果对于不发生化学反应的气体是可以解析计算的。激波会导致总压的损失。这意味着在某些情形下（例如超音速冲压喷射装置的进气口），激波是无效率的。超音速飞机的压阻就主要是由于激波导致的。
当物体（或扰动）的运动比其周围的流体传播扰动信息的速度还要快时，靠近扰动的流体在扰动到来之前就不能及时作出反应或者“让路”。在激波中，流体的各种性质（密度、温度、压力、速度、马赫数）总是瞬时变化的。激波的厚度在数量级上同该气体的分子自由程相当。当气体运动速度大于其声速时，激波就形成了。在流动的某些区域，气体的扰动不能再向上游传播，压力快速积聚起来，高压激波就迅速形成了。
然而，激波不同于通常的声波。在大约为几个分子自由程的厚度（大气中大概为几微米）内，在激波前后气体的性质会发生剧烈变化。在空气中，激波发出很大的爆裂声或者噼啪的噪音。随着距离增加，激波逐渐从非线性波变为线性波，退化成通常的声波。这是由于激波中的空气逐渐丧失能量所致。这种声波跟通常的雷声，即“音爆”听起来很像，一般是由超音速飞机制造的。
（3）激波类型：激波有如下几种类型：①在定常流中传播的激波：这种激波通常产生于具有压差的气体界面。此时，激波传入低压气体，膨胀波传入高压气体。例如气球爆炸，激波管，爆炸激波等。在这种情况下，激波前气体一般是静止的，而激波后的气体则以超音速运动。激波通常属于紊流。激波的速度取决于两种气体的压力比。②管道流动中的激波：当管道中的超音速流减速时产生这种激波。例如超音速喷气引擎，超音速冲压喷射装置，针形阀等。此种情形下，波前气体为超音速，而波后气体或者是超音速（斜激波）或者是亚音速（正激波）。该种激波或者产生于气体在收敛的管道中减速时，或者由于平直管道中附面层的增长而致。③跨音速物体产生的再压缩激波：当跨音速流动减速为亚音速时产生这种激波。例如跨音速机翼，管道。④超音速物体的附体激波：这种激波以“附着”的形式出现在超音速运动的尖锐物体的顶端。例如超音速运动的楔形物体或锥形物体。⑤超音速物体的脱体激波：当超音速运动的物体顶端很钝时出现这种激波。例如太空返回舱（阿波罗飞船，航天飞机），子弹，磁气圈附面层。⑥爆炸波。
4、音爆：
飞行器进入超音速飞行形成的激波面，是声学能量的高度集中面，所以又称音锥。音锥在听觉上是一声短暂而极其强烈（可能超越人耳听力上限的）的爆炸声，故称为“音爆”或“声爆”(Sonic Boom)。强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害，也会给飞行器本身跨越冲击面的部分造成巨大的压力，所以各国一般都禁止超音速飞机在住宅区上空突破音速。
5、普朗特-格劳厄脱凝结云：
普朗特-格劳尔奇点（Prandtl–Glauert singularity, P.G.singularity）现象有时被称为锥状云、冲击领或冲击鞘[1]。
当航空器以突破音速的高速巡航时，前端会短暂出现锥形的冷凝云。一般认为气压突然下降是造成这种现象的主因，但由于机制未完全明朗，因此这种现象是空气动力学上的一个奇点。
航天飞机发射25秒至33秒之后，速度超过音速，即可见冷凝云出现在前缘。一些核子试爆的档案影片也记录了这种效应，1946年美国十字路行动进行水下试爆，核爆所产生的冲击波前端形成了短暂的冷凝雾云。这种云被称为“威尔逊云”，因为看起来与威尔逊云室中的现象类似。现代超高旁通比喷射引擎的扇叶，在起飞全速运转时也可见这种效应。
高速冲击之下的空气可被视为是处于绝热过程之下的，因此压力变化会引发空气温度的改变。在潮湿的空气里，冲击波中空气最稀薄的部分（贴近航空器的区域）温度会降至露点以下，使得空气中的水份快速凝结，形成可见的雾锥。压力的改变离航空器越远越小，因此凝结现象只会出现在航空器的前端周遭，并呈锥状。
二、喷气式发动机
1、涡轮喷气发动机
（1）概念：涡轮喷气发动机（英文：Turbojet，简称涡喷发动机）是一种涡轮发动机。特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力。油耗比涡轮扇发动机高。
涡喷发动机分为离心式与轴流式两种，离心式由英国人弗兰克·惠特尔爵士于1930年取得发明专利，但是直到1941年装有这种发动机的飞机才第一次上天，没有参加第二次世界大战，轴流式诞生在德国，并且作为第一种实用的喷气式战斗机Me-262的动力参加了1944年末的战斗。
相比起离心式涡喷发动机，轴流式具有横截面小，压缩比高的优点，但是需要较高品质的材料——这在1945年左右是不存在的。当今的涡喷发动机均为轴流式。
（2）结构：①进气道：轴流式涡喷发动机的主要结构如图，空气首先进入进气道，因为飞机飞行的状态是变化的，进气道需要保证空气最后能顺利的进入下一结构：压气机。进气道的主要作用就是将空气在进入压气机之前调整到发动机能正常运转的状态。在超音速飞行时，机头与进气道口都会产生激波，空气经过激波压力会升高，因此进气道能起一定的预压缩作用，但是激波位置不适当将造成局部压力的不均匀，甚至有可能损坏压气机。所以一般超音速飞机的进气道口都有一个激波调节锥，根据空速的情况调节激波的位置。②压气机：压气机由定子（stator）叶片与转子（rotor）叶片交错组成，一对定子叶片与转子叶片称为一级，定子固定在发动机框架上，转子由转子轴与涡轮相连。现役涡喷发动机一般为8－12级压气机，级数越多越往后压力越大。③燃烧室与涡轮：空气经过压气机压缩后进入燃烧室与煤油混合燃烧，膨胀做功；紧接着流过涡轮，推动涡轮高速转动。因为涡轮与压气机转子连在一根轴上，所以压气机，压气机与涡轮的转速是一样的。最后高温高速燃气经过喷管喷出，以反作用力提供动力。④喷管：喷管（nozzle，或称噴嘴）的形状结构决定了最终排除的气流的状态，早期的低速发动机采用单纯收敛型喷管，以达到增速的目的。根据牛顿第三定律，燃气喷出速度越大，飞机将获得越大的反作用力。但是这种方式增速是有限的，因为最终气流速度会达到音速，这时出现激波阻止气体速度的增加。而采用收敛－扩张喷管（也称为拉伐尔喷管）能获得超音速的喷气流。⑤加力燃烧室：在经过涡轮后的高温燃气中仍然含有部分未来得及消耗的氧气，在这样的燃气中继续注入煤油仍然能够燃烧，产生额外的推力。所以多数现代战机战机的发动机在涡轮后加装了加力燃烧室（afterburner，或後燃器），以达到在短时间里大幅度提高发动机推力的目的。一般而言加力燃烧室能在短时间里将最大推力提高50％，但是油耗惊人，一般仅用于起飞或应付激烈的空中缠斗，不可能用于长时间的超音速巡航。
2、涡轮风扇发动机
涡轮风扇发动机（亦称涡扇发动机或者内外函喷气发动机；英文：Turbofan Engine）是一种燃气涡轮式航空发动机，主要特点是其首级扇叶的面积大过涡轮喷气发动机的首级扇叶很多，部分空气经过的涡轮喷气发动机称为内涵道，经由内涵的涡轮驱动首级增压扇叶推动空气经过的外侧部分称为外涵道，增压扇叶同时具有螺旋桨和压缩空气的用途的作用，能将部分吸入的空气通过喷气发动机的外围提供直接推力，内外涵共同产生推力。可同时具有涡轮螺旋桨与涡轮喷气推进发动机的双重推力供给。
涡轮风扇发动机并非只依靠涡轮喷气直接燃油燃烧出高压空气提供推力，所以单位推力小时耗油率比纯涡轮喷气佳，但螺旋扇叶的推力重量比耗损功率较大，比较纯涡轮喷气，超音速飞行时其受到附面层影响使其低气压高空与超音速下推力重量不佳。涡扇发动机最适合飞行速度为每小时400至2,000公里时使用，故此现在多数的喷气机发动机都是采用涡扇发动机作为动力来源。
涡轮风扇发动机的涵道比是单位时间内不经过燃烧室的空气质量，与通过燃烧室的空气质量的比例。涵道比为零的涡扇发动机即是涡轮喷气发动机，早期的涡扇发动机和现代战斗机使用的涡扇发动机涵道比都较低，例如世界上第一款实用涡扇发动机，劳斯莱斯的康威型涵道比只有0.3，现代多数民用飞机发动机的涵道比通常都在5以上。涵道比高的涡轮风扇发动机耗油较少，但推力却与涡轮喷气发动机相当，且运转时还宁静得多。
战斗机使用低涵道比发动机，主要是因为截面积与常用飞行速度与民用飞机不同。高涵道比的发动机截面积过大在超音速的时候阻力过大，另外在超音速的状况下效率也会比纯涡轮喷气甚至于低涵道比设计还低，所以战斗机皆使用低涵道比发动机（涵道比皆低于1）。只在超音速飞行的协和飞机，因为长时间处于超音速状态，为了提升效率与降低成本，就是使用纯涡轮喷气而无涵道比的发动机。
三、超音速巡航
1、概念
巡航一词最早来源于水面舰只，飞机出现后，没有创造自己的专有名词，而是沿用了舰船的很多名词，但是飞机的飞行时间和速度、飞行状态（空间包线）变化已经不是舰船所能比拟的，所以巡航的含义也有了变化。而超音速巡航是指飞机在不开启后燃器之情况下持续进行超音速飞行。
2、意义
一般常规的使用单纯涡喷或者涡扇发动机的飞机必须要开加力才能达到超音速，而且持续时间不能太久，一般不超过30分钟，否则会发生发动机过热的问题导致烧坏发动机等很多不利情况，而且此时的耗油量增加1~3 倍。而具有超音速巡航能力的飞机，克服了以上不足，故能大幅度提高其作战效能。
3、超音速巡航关键技术
超音速巡航会给飞机设计和研究带来一系列技术难题。首先是飞行阻力问题，飞机在超音速飞行时会产生波阻，使飞机的阻力相对亚音速时成倍增加，而且还会使进气道附加阻力和总压损失成倍增长。其次是由于长时间超音速飞行，飞机处于很高的气动力热加温中，使飞机的结构材料性能下降。第三是超音速巡航的动力提供问题，超音速巡航需要小涵道比、大推重比的涡扇发动机。第四是为提高超音速巡航战机的综合作战效能，飞机应该有很高的生存能力和良好的隐身性能，超音速巡航的战机在借助优良操稳特性或推力矢量技术的情况下具有过失速机动能力，在先进的综合航电配置下，飞机呈现第四代战机的优越性能。但这些飞机特点给飞机研制带来了很多技术关键。（1）降低波阻的外形设计
超音速巡航的飞机应该按照预定的巡航马赫数修形，以取得设计M数时最好的全机面积律分布，可以借助先进的计算机辅助设计软件进行CFD计算或者风洞实验。未来的飞机还要考虑修改外形以达到雷达隐身目的，要使飞机能比较容易地达到超音速巡航的速度，需要对外形做很细致的修改，尽量降低飞机的波阻。除此以外，摩擦阻力、形阻等阻力都要尽量减小，应该使用更合适的翼型，更小的浸润面积，避免过多鼓包等修形。超音速巡航状态一般是在中、高空，这就需要飞机在中高空飞行时具有良好的阻力特性和良好的升阻比。（2）隐身技术
未来的战斗机既有隐身的需求又要有优良的气动性能，而通过修改飞机外形实现雷达隐身和红外隐身是目前比较常用的手段，但是很难解决隐身外形的同时获取超音速巡航的气动特性，最后只能是气动与隐身这两者按照作战需求综合考虑的结果。
（3）适合超音速巡航的动力系统
首先，发动机的飞行包线必须要能很好的适应设计的超音速巡航速度。在相同的静推力要求下，推重比高的发动机，耗油率低，可以提供更多的剩余能量，使超音速巡航变得相对容易实现；并且能保证在超音速巡航状态下仍然具有合适的机动能力。因此，超音速巡航应尽量采用推重比10一级的发动机。（4）武器内置与发射
武器内置不只是隐身的需求，也是超音速巡航降低飞机阻力的要求，否则外挂本身表面积大，亚音速状态下摩擦阻力增量也大，跨音速时会产生很大的激波干扰阻力，有些战斗机在带外挂后甚至达不到超音速。即使达到了超音速巡航状态，也会因过大的阻力导致作战半径急剧下降。因此，内置武器的发射也是一个课题。
（5）高温与材料
长时间的超音速巡航，尤其是M2.5之后，会使飞机表面温度急剧升高并超过250℃，飞机的金属结构因为高温而变软，很多复合材料也到了温度极限，各种结构件热胀冷缩不均匀，导致结构损坏或者连接处出现过大缝隙而破坏表面流场，甚至导致飞机解体。时下铝合金已经不能使用，需要采用更加耐热的材料。同时，高温条件也对燃油、滑油、液压油等性能提出了要求。例如SR-71由于长时间高空M3巡航飞机部分表面温度达到了600℃，在此温度下只能使用特种钛合金、钢等耐高温材料。
4、超音速巡航的发展历史（1）英国电气“闪电”
早在1954年，英国电气设计了一种战斗机，该机严格按面积律设计，采用内切式机翼，两台发动机上下布置，外形很奇特，命名为“闪电”。该机原型机P.1（配两台“蓝宝石”发动机）在1954年8月11日试飞时，在不开加力的状态下，速度超过了M1.0。这是最早的不开加力的超音速飞行记录。不过由于它没有作战载荷，而在增加了作战载荷和腹部保性形油箱后，便不再具有这样的能力了，加上M1.0处于阻力发散区，因此，它不能算是一种具有实际意义上的超音速巡航飞机。“闪电”战斗机是英国60年代的主力战机，后来因 为政治因素和自身的部分原因，被F-4和“狂风”战斗机替代。（2）SR-71战略侦察机
SR-71配备了两台“普-惠”J-58轴流式变循环发动机，单台加力推力为14.7吨，飞机正常起飞重量大于50吨。能在26000米以上的高空用M3巡航，在其高空执行任务期间没有任何战斗机对其进行过有效拦截，也没有导弹将其击落。SR-71的这种能力目前在世界上是独一无二的，这主要是得益于它优秀的气动外形设计和其独特的变循环发动机与进气道, 尾喷口的综合设计。
J-58发动机是一种变循环发动机，在低速模式下近似于涡喷发动机工作模式，而在高速模式下近似于冲压发动机工作模式。在M3.2飞行时，SR-71的所需推力只有20%左右是来自于发动机本身，此时发动机以冲压模式工作，油耗反而最小，而80%来自于复杂的进气和排气系统（包括发动机引射）。所以SR-71的3马赫巡航能力并不是靠单纯的J-58就能做到的，而应该把SR-71的进/排气系统、J-58与舱壁之间的流管、J-58发动机一起看做一台复杂的发动机。并非一定要发动机推力特别大才能实现超音速巡航，这也是我们国家需要研究的一个方向。J-58的主要任务是高空侦察，必须以3马赫巡航才能摆脱所有拦截飞机和导弹，所以其设计理念与战斗机不同。SR-71是通过大幅降低亚音速机动能力和起降性能来提高高空高速性能的，同时也为减轻重量和提高抗热能力，大量使用了钛合金，其他轻合金和复合材料，并做了特殊的结构处理。在M2.0以上有机动能力（5g 过载）要求的战斗机，必须要有足够强的机体强度，性能相近的MiG-25主要结构是材料钢。SR-71强调的是M3的巡航能力，它是唯一可以在2小时内横跨大西洋的飞机（创造了从纽约到伦敦飞行时间为1小时45分的速度记录），能更快、更安全的进行侦察并取得敌人防区的状况以指导后面攻击部队的行动。从其众多任务完成效果来看，无一被击落，说明这是一种很成功的飞机。（3）MiG-31截击机
前苏联设计的MiG-31采用两台D-30F6发动机，单台静推力为93千牛，加力推力为152千牛MiG-31是MiG-25的后继机，机体近一半采用合金钢结构以保证超音速状态下能做5g的机动动作。根据俄官方资料得知，MiG-31在发动机开小加力状态下可以带弹用M2.35巡航，但这并不属于真正的超音速巡航。
MiG-31实用升限超过20000米，而目前在此高度上能与之单机对抗的战斗机寥寥无几。这因为发动机包线高度不够，且机载导弹的升限也基本上是20000米。因此，对于防空力量不是很强的国家，MiG-31可以采用高空突防。
MiG-31的主要任务是截击美国入侵的B-
52、B-
2、超音速战略轰炸机B-1B、巡航导弹，并可作为准预警机使用。其机头安装有直径达1米的无源相控阵雷达，探测距离可达300千米，还可以引导多架其他型号的飞机如SU-27协同作战，其主要部署在地形开阔而防卫力量分散的远东地区。4机协同可以起到一架E-3预警机的作用，加上其杰出的高空能力和超音速持续飞行能力，这样就解决了国土面积大而防卫力量有限的问题。（4）EF2000“台风”战斗机
EF2000是一种“三代半”战斗机，其发动机EJ200推重比10一级，EJ200 有种特殊工作状态设置!称为“war”状态。在此状态下发动机静推力可以增加15%，即静推力由原来的60千牛增加到69千牛，从而实现不开加力的超音速巡航，Eurojet声称EF2000在典型空(空武器配置/11000米高度的情况下，不开加力可以用M1.2左右的速度巡航，但是同时也说明了此状态会缩短发动机寿命，可见不是一种正常的工作状态。也许只有在EJ200发动机的推力改进计划—EJ230完成后，我们才能看到其真正意义上的超音速巡航。（5）F-22战斗攻击机
F-22采用正常布局，双发（两台“普-惠”F-199涡扇发动机，单台静推力为90千牛，加力推力为155千牛）、双垂尾、梯形机翼和平尾，垂尾外倾29度，带有可上下偏转的矢量尾喷管。
在F-22的设计中，超音速巡航已经不是简单的一种独立性能了，而变得与隐身能力、高机动性等密切相关。
F-22的隐身外形设计，重点为降低前方和侧面的雷达反射截面积，采用“CARET”进气道，并用薄乙型和小浸润面积设计机翼、平尾前后缘平行，垂尾挡住了发动机尾喷口的侧面红外辐射，武器内置，这样的外形设计并没有降低飞行性能。其前向雷达反射截面相当于一个玻璃球大小，为F-15C的1%，后向雷达反射截面略大，由于设计者认为，当敌方从后向发现F-22时，F-22已经突破敌人的防线并且在高速远离，尾追的敌人难以进行有效拦截，就没有刻意追求隐身效果而降低飞行性能，所以F-22的隐身性能比F-117A和B-2要差。
F-22在典型空战配置下能以大于M1.5的速度巡航，一方面是因为其超音速阻力小，另一方面是发动机静推力和推重比大。据估计，由于F-22的CARET进气道是不可调的，只有在M1.4~M1.6能保持最佳进气状态，所以在高M数下，如大于M2.0时进气道性能降低较多。虽然按美国ATF计划只要求最大速度有M1.7，而最近的公开资料表明，F-22超音速巡航速度达到了M1.7，不过F-22的真实性能如何还得通过实战的检验。
F-22发动机采用F119发动机，推重比超过10，剩余功率很大，而且带有两个可差动的矢量尾喷管，使得其具有很高的机动性，其机体结构能保证M1.5下过载时可以达到6g。F-22前机身的棱角和进气口上外侧的小突起能在大迎角时产生有利的脱体涡，增加升力和方向稳定性。F-22具有很高的综合能力，是美国“全球到达，全球力量”的作战指导思想下设计的结果，是第五代战斗机的代表。
参考文献：维基百科；百度百科；超音速巡航飞机的发展——罗竑 朱晓彪（来自于万方数据库）
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