黑障 飞行器运行的“三大障碍”——音障、热障和黑障

从航空空飞机到宇宙飞船，从军用飞机到民用飞机，当飞机的飞行速度接近音速或超过音速的某一倍数时，飞机的飞行会引起或遇到一系列的异常现象，对飞机造成不同程度的“障碍”，严重时可能导致飞机损坏事故，这就是飞机运行的“三大障碍”——声屏障、热障和黑障。

音障

音障是一个出现在20世纪40年代后期的名词。1945年6月，英国飞行DH-106“燕子”时，机身破裂，飞机被毁。事故发生后，一位英国科学家说:“声速就像你面前的障碍墙。”于是，“声屏障”一词诞生并流行起来。

声屏障，又称“声屏障”，是飞机以接近音速飞行而引起的一系列异常现象，如飞机阻力急剧增大、升力减小、螺旋桨效率降低、机身强烈振动、操纵失灵等。

声音在空气体中的传播速度受空气体的温度影响，其值发生变化。大气温度随高度变化，所以不同飞行高度的声速不同。在国际标准大气条件下，海平面声速为1227.6 km/h，11000米空高度时为1065.6 km/h。对于时速700公里以上的飞机，当迎面气流经过飞机表面时，由于表面形状不同，当地速度可能远远超过每小时700公里。

为了更好地表达飞行速度接近或超过当地声速的程度，科学家们采用了一个反映飞行速度的重要参数:马赫数。它是飞行速度与当地音速之比，简称M数。m数以奥地利物理学家I马赫命名。马赫在19世纪后期进行了子弹和弹丸的超音速实验，首次发现了马赫波的存在，它是超音速气流中扰动源产生的波前。m数小于1，表示飞行速度小于音速，是亚音速飞行；m数等于1，表示飞行速度等于音速；马赫数大于1，说明飞行速度大于音速，是超音速飞行。

第二次世界大战结束时，以650-750公里/小时速度飞行的战斗机接近活塞式飞机的速度极限。比如美国的P-51D野马战斗机，最高时速765公里，大概是螺旋桨推进的活塞式战斗机中最快的。为了进一步提高飞行速度，必须增加发动机推力。但是活塞式发动机却无能为力。

「声屏障」是不可逾越的障碍还是可以突破的烟幕？为了解开这个谜，许多科学家进行了不懈的努力。发现所有这些现象都是跨音速飞行特有的。之后对飞机空的气动外形进行了改进，如采用后掠翼、按面积规律设计翼身组合等。，并研制出大推力喷气发动机，立即实现了超音速飞行。

世界上第一台撞击声屏障的试验机是美国制造的X-1试验机。它设计有一个尖尖的鼻子，薄薄的翅膀，干净的外观和极其坚固的结构，由四个火箭发动机提供动力。1947年10月14日，美国空陆军试飞员查克·耶格尔上尉驾驶贝尔X-1”空中火箭”动力研究机，飞行高度12800米，飞行速度达到1078公里/小时，相当于M 1.00。自那以后，24岁的查克·耶格尔成为世界上第一个飞行速度超过声音的人，他的名字被载入航海史上。

1965年2月，英法合作开始开发建造协和式飞机。1969年10月1日，协和001首次超音速飞行，持续9分钟，最大速度1.5马赫；1970年11月，成功达到2.0马赫。协和客机采用无平尾布局，机翼采用三角翼，机翼前缘为S形；涡轮喷气发动机有四个，发动机装有加力燃烧室(加力燃烧室)，通常用于超音速战斗机。协和式飞机的最大飞行速度为2.04马赫，巡航高度为18000米，巡航速度为2150公里/小时。

热障

人类第一次突破“声屏障”后，超音速飞机的发展加速。1951年8月7日，美国海军道格拉斯d . 558-II“空中火箭”研究机速度达到了M1.88，1953年“空中火箭”飞行速度超过了M2.0，约为2172 km/h，1954年，前苏联的米格-19和美国的F-100“超级军刀”问世。这些是第一批服役的战斗机，仅依靠自己的喷气发动机在水平飞行中超过音速；很快，在1958年，F-104和米格-21也将这一记录提高到了M2.0

当飞机在稠密大气中以超音速飞行时，由于冲击波与机体之间的高温压缩气体的加热以及机体表面与空气体的强烈摩擦，飞机蒙皮温度会随着M数的增加而急剧上升。研究表明，当飞机飞行速度达到两倍音速时，前端温度可达100℃；当飞机飞行速度达到3倍音速时，前端温度可达350℃；已经超过铝合金的极限温度，大大削弱了其强度。此外，空空气与飞机表面摩擦产生的热量在长时间超音速飞行时急剧增加，飞行员难以承受，飞机内很多设备无法工作，飞机结构和材料也无法承受。在航空空圈，飞机在高速飞行时遇到的高温称为“热障”。

热障是飞机在超音速飞行时，由于气动加热而引起的一系列不利现象。主要包括:(1)由于机体温升导致材料性能下降，降低了结构强度和刚度；热应力发生在结构中，增加了结构的应力、反作用力和应变；温升过高会熔化或烧伤金属表皮；环境温度升高，使飞机内的机组和设备无法正常工作。

一般以M 2.5作为“热障”的边界。低于这个值，气动加热不严重，飞机可以用常规方法和材料设计制造；高于该值时，必须采取措施克服气动加热问题。为了克服热障，耐热材料(钛合金和不锈钢等。)，可以使用隔热设备和冷却系统，确保飞机不会因高温而受损。

热障的出现使得空空气动力学诞生了一个新的分支学科——气动热力学。主要研究气动外形、飞行速度、边界层、大气环境等因素对飞机发热的影响，为突破热障提供飞机外形设计指导。1956年9月27日，美国X-2火箭飞机在试飞中第一次突破3倍音速，达到3.2马赫，第一次突破热障，但不幸的是一次事故导致坠毁。两架“双3”飞机，前苏联米高扬设计局研制的米格-25战斗机和美国洛克希德公司研制的SR-71黑鸟战略侦察机，充分发挥了“高空高速”的综合体。他们的天花板高达3万米，最大速度达到了惊人的M3.0，接近喷气发动机的极限。SR-71飞机93%的机身都是钛合金的，因此成功越过了热障，创造了3.3倍音速的世界纪录。

高速导致高温，这似乎是不可逾越的障碍。显然，热障并没有阻止人类向宇宙推进，那么科学家如何克服热障，使飞船安全回家呢？当飞船长途跋涉返回，到达离地60-70公里时，速度保持在音速的20多倍，温度在10000℃以上，足以把飞船变成火。即使飞船和返回的卫星重新进入大气层，当飞机飞行速度是音速的6倍时，前端温度高达1480℃。为了保证不被烧毁，在航天器头部放置一个烧蚀材料制成的“装甲”，消耗掉烧蚀材料熔化汽化等一系列物理化学变化中摩擦产生的热量，从而达到保护航天器的目的。一名宇航员描述了宇宙飞船突破热障的壮观景象:当宇宙飞船进入大气层时，首先从舷窗看到烟雾，然后出现彩色火焰，同时发出噼啪声。这是航天器头部烧蚀材料的燃烧。他们牺牲自己，将飞船内的温度保持在常温，以保护飞船不安全返回地面。

作为一种烧蚀材料，它需要较大的汽化热、较大的热容量、良好的绝热性和较强的向外界辐射热量的能力。烧蚀材料的种类很多，其中陶瓷是最好的，纤维增强陶瓷材料是最好的选择。近年来，许多高强度的碳化物和氮化物复合陶瓷被成功开发出来，它们是优良的烧蚀材料，成为航天器不可破的装甲。

电离中断

黑障是大气中特有的现象。当卫星、宇宙飞船、洲际导弹等。空高速再入大气层返回地球，在一定高度和一定时间内与地面的通信将严重失效甚至完全中断，这就是所谓的黑障。

黑口罩出现在地球上约35-80 km空的大气中。当飞船通过黑色屏障时，船体外壳将达到2000摄氏度的高温。高温可能使船体框架变形并导致碰撞；二是使飞船与外界失去无线电联系，使地面人员无法知道飞船的实时状态。

黑障是怎么形成的？众所周知，所有飞行器返回大气层时，飞行速度极高，可以达到音速的十几倍到几百倍，使得飞行器前端形成强烈的冲击波。由于飞机头部周围冲击波的压缩和大气的粘性，高速飞行的动能很大程度上转化为热能。由于气动加热，飞机表面附近的气体和飞机材料表面的分子被分解和电离，形成等离子体层。因为等离子体具有吸收和反射电磁波的能力，所以包裹飞机的等离子体层实际上是等离子体电磁波屏蔽层。因此，当飞机进入被等离子体包裹的状态时，机外的无线电信号无法进入飞机，机内的电信号无法到达机外。有一段时间，飞机内部和外部的通讯中断了。此时，地面和飞机之间的无线电通信中断。

随着飞机高度的降低，当速度降低到一定程度时，不再有足够的温度使气体分子电离，等离子体层释放，黑障消失。

在停电区，宇航员在此期间最危险，因为返回舱会与地面控制中心失去片刻通讯，与大气的摩擦会产生几千摄氏度的高温。如果不采取防热措施，宇航员将无法承受，返回舱的结构将被损坏。前宇航员毫无准备，如果飞船因为太空而在这里烧毁，他们会死的。今天的宇航员必须穿宇航服才能穿过这个黑带。

黑障的射程取决于形状、材料、再入速度、发射信号的频率和功率等。黑盲区给载人飞船的实时通信和再入测量带来了困难。从20世纪50年代开始，人们开始研究黑障及其消除方法。一方面，通过设计再入体的理想形状，喷涂某种等离子体消除材料，消除或削弱等离子体鞘层；另一方面，对通信和测量方法及设备进行了改进，以减少黑掩模区域的影响，例如增加信号的频率和功率，以及将天线安装在等离子体鞘的最薄位置等。但这些方法只能缩短信号中断的时间，不能完全解决再入黑障问题。另一种思路是利用毫米波或激光穿透等离子体鞘层，解决再入通信中断问题。

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