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第420章天狼星的喘振(第1/2页)
十月的关中平原，秋风扫过黄土高坡，带走了空气中残存的暑气，气温开始向着冰点稳步下探。大自然的热力学循环按部就班地进行着季节的交替，而在西京市以西五十公里处的西北航空动力学实验中心，另一种人工干预的气流与金属的对抗，刚刚撞上了一道似乎坚不可摧的墙壁。
大西北的固态物理实验室通过悬浮区熔法，强行从硅晶格中剔除了氧原子的污染，将半导体纯度推向了百亿分之一的极限，为计算设备的微缩化扫清了障碍。然而，在宏观的空气动力学领域，大西北引以为傲的天狼星后掠翼喷气式战斗机，却在突破声速的征途上，遭遇了经典牛顿力学与气体可压缩性之间最残暴的撕裂。
西北航空动力学实验中心。
这里拥有一座耗资庞大的跨音速连续式风洞。为了驱动这座风洞，大西北电网专门为其铺设了两条十一万伏的高压输电专线。
早晨八点。风洞配电站内，三台大型油浸式变压器发出低沉的电磁共振嗡鸣。
“合闸。主回路送电。”配电工程师拉下重型隔离开关。
十兆瓦级别的庞大交流异步电动机在几秒钟内完成了星-三角启动，电流表的指针在瞬间飙升后回落至额定工作区间。
在占地面积达到数千平方米的钢结构风洞回路中，巨大的六叶复合材料风扇开始旋转。
风道内部的空气，在扇叶的强力抽吸下，被源源不断地推入一个收缩段。根据伯努利流体力学方程，当流体流经截面积减小的管道时，其流速必须增加以维持质量守恒。
几吨重的空气在收缩段内被强行加速。
风洞测试段的防爆玻璃观察窗外，空气动力学总工程师沈兆轩正死死盯着内部的一架比例为一比十的缩比金属模型。
那是大西北目前的主力喷气式战斗机——天狼星。
这架采用了三十五度后掠翼设计的战机，在过去的一年里，凭借着突破九百公里的平飞时速，在亚洲天空中实现了对所有螺旋桨战机的单向动能屠杀。后掠翼分解了迎面气流的速度矢量，大幅度推迟了激波的产生。
但现在，西北空军和航空制造局的战略野心，是让这架飞机在平飞状态下，彻底突破马赫数一点零的屏障，进入纯粹的超音速巡航维度。
“提升主电机转速。调节风门。将测试段气流马赫数设定为零点九五。”沈兆轩下达指令。
“马赫数零点八五……零点九零……零点九五。流场稳定。”操作员盯着皮托管传回的动压数据。
在这个速度下，空气不再表现出不可压缩流体的温和特性。空气分子的密度在机翼表面发生了剧烈的阶跃变化。
“开启纹影光学摄影系统。记录机翼表面密度阶跃分布。”
在风洞观察窗的两侧，布置着一套精密的光学折射装置。
一束高强度的平行点光源穿过风洞测试段。当光线经过密度不均匀的气流时，由于不同密度的空气具有不同的折射率，光线会发生微小的偏折。在接收端，放置着一个被称为刀口的不透明金属片，遮挡住部分光线。当气流密度发生剧变导致光线偏折时，有些光线会避开刀口进入照相机镜头，有些则会被刀口挡住。在照相机的底片上，这种光线的明暗变化，直接将肉眼看不见的空气密度梯度，转化为黑白分明的流场图像。
在纹影仪的屏幕上。
当风速逼近零点九五马赫时，模型机翼上表面的气流由于曲面的挤压，被进一步加速，局部区域率先突破了音速。
一道清晰的、黑白分明的直线阴影，在机翼最高点靠后的位置突兀地形成。这道阴影垂直于机翼表面，并随着风速的微调，不断向机翼后缘移动。
这就是正激波波阵面。
“六分力天平阻力数据暴增。”操作员看着剧烈跳动的应变片电压信号，大声汇报道。
“阻力系数呈抛物线攀升。”
“不仅是阻力。”沈兆轩眉头紧锁，指着模型机翼后缘的襟翼和副翼部分。
在纹影图像上可以清晰地看到，激波产生的位置之后，原本紧贴在机翼表面的平滑层流，发生了灾难性的附面层剥离。气流被激波强行撕裂，变成了混乱狂暴的涡流和湍流，在机翼后方形成了一片巨大的低压尾流区。
“激波阻力发散。”沈兆轩在记录本上写下了一个空气动力学名词。
“看升力中心的数据。”
操作员切换了传感器通道。
“主翼升力骤降。升力中心坐标向后方移动了百分之二十五。”
沈兆轩的脸色变得冷酷。
“这就是低头效应。随着激波向后缘移动，整个机翼的升力中心被强行向后推。重心留在原位，升力中心却在重心之后。这会在物理上产生一个巨大的、让机头向下的俯仰力矩。飞机在接近音速时，会不受控制地向下俯冲。”
“而且，由于水平尾翼上的升降舵完全处于主翼剥离的湍流尾流中，舵面无论怎么偏转都无法获得足够的空气反作用力。飞行员拉动驾驶杆试图抬起机头，将没有任何效果。”
为了验证风洞中这些可怕的流体力学现象是否能在实际飞行中利用机械力量克服，西北空军试飞大队在十月份安排了一次高风险的极限跨音速试飞。
这并不是盲目的冒险，大西北的航空制造业为这次试飞准备了目前能够达到的最强输出。
十月二十日。胶东半岛，七号特种测试基地。
这里的气候受到海洋的调节，比内陆温和，但高空的气象条件依然处于深秋的冷平流控制下。
高空气象探测气球在清晨六点被释放。
两个小时后，探空仪通过无线电发回了平流层底部的温度和风速曲线。
“一万两千米高度，气温零下五十六摄氏度。平流层气流稳定，无强烈的风切变。”气象官将数据递给塔台指挥官。
在航空中，音速并不是一个固定的常数，它完全取决于空气的热力学绝对温度。在零下五十六度的高空，音速从海平面的每小时一千二百二十四公里，下降到了约每小时一千零六十公里。这意味着，在高空突破音障所需的绝对飞行速度更低，这更有利于飞机跨越马赫数一点零的屏障。
停机坪上，一架被剥除了所有涂装、呈现出铝锂合金本色的天狼星战斗机，正连接着各种地面测试设备。
这架飞机是为了这次试飞进行了彻底的减重。
机头两侧的两门三十毫米机炮被拆除，弹药箱清空。座舱后方的防弹钢板被剥离。所有的多余线缆和通讯设备被最大程度地削减。机身表面所有的铆钉接缝，都被地勤人员用特种环氧树脂腻子进行了填平，并用砂纸打磨至镜面级别，以消除哪怕一微米的表面摩擦阻力。
最核心的更换，在于它的动力系统。
这架飞机换装了西北航空发动机二厂刚刚通过一百小时台架耐久测试的先锋二号甲改进型涡轮喷气发动机。
在二厂的无尘车间内。先锋二号甲的涡轮叶片不再使用之前的锻造工艺，而是采用了定向凝固精密铸造技术。镍铬钴高温合金在真空电弧炉中融化成金属液。被注入由氧化铝陶瓷型壳构成的模具中。模具底部放置着一块水冷铜板。金属液在冷却时，结晶前沿只能沿着单一的垂直方向生长，形成柱状晶体，彻底消除了横向的晶界。这使得叶片在九某度的高温和数万转的离心拉力下，其抗蠕变断裂性能提升了百分之四十。随后，叶片的根部在大型液压拉床上，被拉削出复杂的枞树形榫头。多级波浪状的承力面将巨大的离心应力均匀分散，确保叶片死死地锁定在涡轮盘的榫槽中。
这台改进型发动机的静推力提升了百分之十五，达到了惊人的一千两百公斤。
试飞大队的顶尖试飞员李伟，正在更衣室内进行着起飞前的生理武装。
突破音障的俯冲和随后的改出机动，会产生高达八个G的离心加速度。在这个过载下，人体血液的重量相当于铁水，会迅速向腿部和腹部汇聚，导致大脑瞬间缺血，引发失去意识的“黑视”现象。
为了对抗这种重力带来的瘫痪。大西北医疗器械局联合航空研究院，为李伟量身定制了一套气动抗荷服。
这套抗荷服由高强度的尼龙混纺织物制成，紧紧包裹着他的腹部、大腿和小腿。在抗荷服的夹层中，分布着多个相互连通的橡胶气囊。
这些气囊通过一根耐压软管，连接到飞机座舱内的一个惯性抗荷活门上。
“连接气压测试管路。”机械师帮助李伟穿好抗荷服，进行地面测试。
抗荷活门内部有一个弹簧悬挂的质量块。当飞机进行大过载转弯或拉起时，质量块在惯性的作用下向下位移，打开高压空气阀门。
“呲——”
高压空气瞬间冲入李伟抗荷服的气囊中。气囊膨胀，在不到一秒钟内，对李伟的下肢和腹部施加了巨大的挤压。
李伟感到双腿被铁钳死死夹住，腹部受到强力压迫。这种外部挤压强行抵消了血液向下的流体静压力，迫使血液停留在上半身，维持大脑的供氧。
“过载感应阀门动作灵敏。充气压力两点五兆帕。密封合格。”机械师断开测试管。
上午九点。
李伟戴着全封闭的防寒飞行头盔，提着氧气面罩，跨入天狼星狭窄的座舱。
“主电源接通。液压系统保压。”
地面启动车提供的高压空气吹动压气机涡轮。
“点火。”
航空煤油喷入燃烧室，电火花引燃。先锋二号甲发动机爆发出一声撕裂空气的尖啸。透明的高温尾焰从收敛喷管中喷出，在混凝土跑道上卷起层层热浪。
“塔台，洞幺准备完毕。请求起飞，执行跨音速俯冲测试任务。”李伟的声音通过甚高频电台传回指挥室。
在塔台的玻璃窗后，沈兆轩和基地指挥官紧盯着那架银色的战机。
“洞幺，准许起飞。密切注意高度和表速。机身表面贴敷了三十个电阻应变片，遥测频道已锁定。不要超过结构过载极限。”沈兆轩通过麦克风叮嘱。
伴随着巨大的涡轮高频啸叫，银灰色的天狼星松开刹车。
在没有武装和装甲的轻载状态下，飞机滑跑了不到八百米，便轻盈地脱离了跑道。收起起落架后，飞机以一个夸张的大仰角，如同火箭般直刺苍穹。
十分钟后。
“到达预定高度，一万两千米。开始平飞加速。”
李伟在平流层的寂静中，将油门节流阀推到底。
先锋二号甲轴流式发动机的九级压气机疯狂地吸入零下五十六度的冷空气。空气被逐级压缩，温度和压力飙升。在燃烧室内，燃气温度达到近千度，冲击单级涡轮后从尾喷管高速喷出，提供着持续不断的庞大推力。
仪表板上的马赫表指针开始平稳顺时针移动。
零点八、零点八五、零点九。
“当前速度零点九马赫。飞机姿态平稳。操纵杆反馈力度正常。未出现明显震颤。”李伟向地面报告。
“雷达追踪稳定。遥测数据显示机翼主梁弯曲应力处于安全范围的三分之一。”塔台回复。
“准备进入浅俯冲，利用重力势能转换动能，突破音障。”
李伟深吸了一口气，向前推动驾驶杆。
“天狼星”的机头微微下压，开始以十五度的角度向下俯冲。
在地球重力和发动机全功率推力的双重叠加下，飞机的速度呈指数级攀升。
零点九五马赫。
突然，李伟感觉到驾驶杆变得异常沉重。原本轻盈的机械联动装置，仿佛被凝固在了速凝水泥中，推拉变得极其困难。
与此同时，机身开始出现一种高频的、细碎的抖动。这种抖动不是来自于发动机转子的机械共振，而是来自于机翼表面气流的狂暴拍打。
“遭遇激波阻力发散。附面层剥离导致机体震颤。出现强烈低头力矩。”李伟用力向后拉动驾驶杆，试图维持十五度的俯冲角度，抵消机头不受控制向下栽的趋势。
就在马赫表指针逼近零点九八时。
的第一道致命流体力学陷阱，在发动机内部爆发了。
“天狼星”采用的轴流式压气机，其内部是一排排在轴上高速旋转的金属叶片。这些叶片本质上是一组在空气中做圆周运动的微型机翼。
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当飞机速度极高时，迎面扑来的冷空气以接近音速的绝对速度冲入进气道。
但天狼星的进气道设计，继承了早期的圆筒直管结构。它没有任何激波锥或者调节斜板来对超音速气流进行预减速。
在亚音速飞行时，气流在进气道内自然扩张减速，压力升高，平稳地喂入压气机。
但在马赫数零点九八时，进气道口形成了强烈的弓形激波。空气在穿过激波后，速度分布变得极度不均匀，并携带着庞大的动压，直接冲向第一级压气机叶片。
超高速的气流在进入压气机时，由于气流的轴向速度远大于叶片的旋转线速度。这导致气流方向与叶片旋转面形成的相对迎角，在瞬间发生了剧烈的偏转，远远超过了叶片翼型的失速临界角。就像飞机机翼在仰角过大时会失速一样，压气机叶片背面的气流发生了灾难性的分离。在压气机内部，气流不再平稳地向后方的高压区压缩，而是在叶背处发生强烈的涡流和阻塞。这种失速的叶片会阻挡气流，导致后续的叶片也接连失速，形成一个在压气机内部旋转的失速团——旋转失速。当失速面积扩大到整个环形通道时。压气机后方的排气压力瞬间崩溃，低于了燃烧室内部的高压。热力学系统失去了平衡。原本应该向后喷出的高压燃烧室高温气体，发生了猛烈的逆向倒流。高温燃气混合着未燃烧的煤油，从压气机叶片之间的缝隙中疯狂反向挤出，最终从机头进气口狂暴地喷射出来。这被称为压气机喘振。
“砰！砰砰！”
伴随着几声如同大口径火炮在机腹内开火的沉闷爆响。
“天狼星”的机身发生了剧烈的纵向轴向震动。这种震动频率与机身的固有频率发生了重叠。
在不到一秒钟的时间里，发动机的推力瞬间归零。尾部排气管喷出长长的橘红色火舌，随后冒出浓烈的黑烟。进气口也喷出了高温的蒸汽和火焰。
“发动机喘振！失去推力！”李伟在无线电中嘶喊，抗荷服的气囊因为震动而剧烈充放气。
他迅速收回油门节流阀，试图切断燃油供应，退出喘振状态，并利用风车效应重启发动机。
但在此时，零点九八马赫的速度叠加在一万米的高度，飞机承受的空气动压已经达到了机体结构的承受极限。
由于发动机失去推力，飞机在巨大的超音速气流波阻下，发生了瞬间的强烈减速。
这种巨大的减速过载，将李伟死死地勒在安全带上。
同时，减速过载带来的巨大动能，全部转移到了正在努力对抗低头力矩的升降舵和后掠翼主梁上。
为了保持飞机的平衡，防止机头彻底栽向地面，李伟试图拨动副翼进行横滚，以利用偏航角来消耗这部分失控的低头力矩。
他向左压下驾驶杆。
在低速状态下，左侧副翼向上偏转，右侧副翼向下偏转，增加右翼升力，飞机将顺利向左滚转。
但在接近音速的高动压气流中，后掠翼暴露出了它最危险的流体力学材料学缺陷。
当李伟向左压杆，右侧机翼后缘的副翼向下偏转，试图增加这一侧机翼的弯度和升力。巨大的空气动压打在向下偏转的副翼上，并没有像预想中那样抬高机翼。相反，空气产生了一个向上的庞大扭转力矩。这股扭转力直接作用在柔韧的铝锂合金后掠翼主梁上。后掠翼的结构特性导致其抗扭刚度较差。在扭转力矩的作用下，整个右侧机翼的前缘被迫向下严重扭曲变形。机翼前缘向下扭转，导致整个右侧机翼的迎角急剧减小。机翼扭曲所损失的升力，远远超过了副翼偏转所增加的微小升力。结果是灾难性的相反。
李伟向左压杆，试图向左滚转。
飞机却在右侧机翼扭曲丧失升力的反作用力下，猛烈地向右方发生了不可控的翻滚。
这在航空术语中被称为副翼反效。
在塔台的雷达屏幕上，代表着天狼星的光斑突然出现了剧烈的高度掉落和轨迹折线。
“洞幺！报告姿态！拉起！拉起！”沈兆轩对着麦克风大喊。
但在高空中，情况已经失去了任何人工干预的可能。
在发动机喘振导致的剧烈纵向爆震、激波后移产生的低头力矩强力下压，以及副翼反效导致的猛烈横向翻滚下。
“天狼星”的机身骨架，同时承受了拉伸、压缩、弯曲和扭转的复杂交变应力。
这些应力的峰值，在千分之一秒内，超越了当时冶金材料——高强度铝锂合金的屈服极限和抗拉强度极限。
“飞机失控！结构……咔嚓——”
李伟在无线电里的声音戛然而止。只留下一声令人毛骨悚然、穿透电磁波的金属撕裂声。
在遥测接收机的纸带上，贴敷在主翼翼根处的电阻应变片，其电压信号在瞬间飙升至满刻度，随后变成了一条代表断路的直线。
在距离地面九千米的高空。
在接近音速的巨大动压下。飞机没有发生爆炸，而是被狂暴的空气动力直接撕成了碎片。
右侧三十五度后掠翼的主梁在扭曲中折断，整片机翼脱离机身。失去平衡的机身在巨大的滚转率下，尾翼被瞬间切断。
试飞员李伟在飞机解体的瞬间，由于座舱破裂，承受了超过二十个G的离心力和瞬间的爆炸性减压。他的抗荷服无法抵御这种级别的冲击，血液冲入大脑和肺部血管，导致毛细血管大面积破裂。
在弹射座椅技术尚未成熟的年代。在高空、高动压、高过载解体的极端环境中，任何碳基生物都失去了逃生的可能。
在地面雷达的屏幕上。那个代表着大西北航空巅峰的光斑，在一万米的高空突然分裂成了十几块微小的碎片信号，随后像流星雨一样，迅速从屏幕上坠落消失。
塔台内陷入了死一般的寂静。
沈兆轩的双手死死地抓着控制台的边缘，指关节泛白。
三天后。
渤海湾。大西北海军的打捞船队，利用拖网和潜水员，在十几平方公里的海域内，将天狼星的残骸碎片一块块地打捞了上来。
一周后。西京政务院，战略指挥中心。
桌子的中央，摆放着从渤海湾打捞上来的天狼星残骸核心部件。主要是一段从翼根处折断的铝锂合金主梁，以及一个严重扭曲变形、布满高温烧蚀痕迹的轴流压气机转子叶片。
李枭穿着深灰色的军大衣，站在会议桌旁，面无表情地看着这些扭曲的金属。
“事故原因的分析报告出来了吗？”李枭看向空气动力学总工程师沈兆轩。
沈兆轩拿起一份厚厚的数据图表和几张残骸的微观金相分析照片。他的脸色有些苍白，双眼布满血丝，但声音依然保持着绝对的客观和冷静。
“委员长。残骸上的应变片磁带记录仪，保留了飞机解体前最后十秒的全部参数。”
“结论非常明确。我们撞上了一堵音障墙壁。并且，我们现有的气动和动力设计，被这堵墙撞得粉碎。”
沈兆轩将几张大型结构图纸挂在黑板上，开始进行复盘。
“第一，动力系统失效。这是灾难的起点。”
他指着那个扭曲的压气机叶片。
“进气道设计存在致命缺陷。在接近零点九八马赫时，超音速空气在直筒进气道口形成激波，导致进入压气机的气流流场极度恶化。气流方向与叶片旋转方向形成的相对迎角过大，引发了压气机全面旋转失速。”
“气流通道阻塞，燃烧室的高压气体发生剧烈倒流。这引发了发动机喘振。发动机在最需要推力来克服波阻的关键时刻，不仅失去了推力，还产生了高达十几个G的轴向低频震动，初步破坏了机体的结构稳定性。”
“第二，控制系统失效。”
沈兆轩在黑板上画出了一架飞机的俯视图，并标出了受力矢量。
“副翼反效和低头力矩彻底剥夺了飞行员的控制权。在接近音速时，激波导致的阻力暴增，使得主翼升力中心后移。飞行员试图用副翼进行补偿，但高动压扭曲了后掠翼的主梁，导致飞机向反方向发生了不可控的翻滚。交变应力超越了合金的屈服极限，飞机在空中解体。”
沈兆轩放下指示杆，目光环视在场的高级工程师们。
“我们在跨音速领域的流体力学认知，是不及格的。”
李枭看着桌面上那根折断的铝合金主梁断口，手指在桌面上敲击了两下。
“发现问题只是第一步。我要听解决方案。”
沈兆轩深吸了一口气，从公文包里拿出了三张全新的、带有复杂微积分推导公式的设计草图。
“要突破这堵音速的墙壁，我们必须对飞机的骨架和动力入口，进行三次外科手术级别的大改造。这涉及到流体力学、结构力学和控制逻辑的根本性重构。”
“第一项改造：进气道激波锥。”
沈兆轩将第一张草图贴在黑板上。图上的飞机进气口，不再是空荡荡的圆筒，而是在中央多出了一个可以前后移动的尖锐圆锥体。
“我们不能让超音速气流直接撞进压气机。我们必须在进气道中央增加一个可调节的中心激波锥。”
“利用这个锥体在超音速气流中产生的多道斜激波，强行将超音速空气减速。空气在经过斜激波和正激波的连续压缩后，动能转化为压力能，速度降低到亚音速状态，然后再平稳地喂入压气机。”
“这样可以保证叶片始终在正常的气流速度和迎角下工作，从源头上消除旋转失速和喘振的诱因。”
“第二项改造：面积律。”
沈兆轩贴出第二张草图。
这张图上的飞机机身，在与机翼连接的地方，并没有保持笔直的圆柱形，而是向内深深地收缩，呈现出一种类似于可口可乐瓶的蜂腰形状。
“在跨音速阶段，激波导致的阻力暴增并不是均匀的。我们重新计算了天狼星机身在轴向上的横截面积分布。”
他在俯视图下方画了一条曲线。在机身与机翼连接的地方，横截面积曲线出现了一个陡峭的波峰。
“流体力学的数学模型告诉我们，如果飞行器的横截面积在沿轴线方向变化不平滑，在接近音速时就会产生巨大的波阻。就像一艘船在水面上行驶，船体突然变宽会激起巨大的波浪阻力一样。”
“由于机翼增加了该区域的总横截面积。为了保持从机头到机尾总体横截面积的平滑过渡，消除那个陡峭的波峰。我们必须在机翼所在的位置，强行削减机身的体积。把机身掐细。”
“在风洞测试的初步数学模型中，这种蜂腰设计能够将跨音速波阻大幅度削减百分之四十以上。这是解决激波阻力发散的根本途径。”
“第三项改造：全动平尾。”
沈兆轩贴出最后一张草图。图上的飞机尾部，不再是固定水平尾翼加可活动升降舵的传统结构。而是整个水平尾翼成为一个完整的部件，可以绕着一根粗大的钛合金转轴整体上下偏转。
“在接近音速时，传统固定水平尾翼表面产生的激波，会使后面的升降舵处于气流分离的低压尾流中。舵面无论怎么偏转，都无法获得足够的空气反作用力，导致飞机彻底失去控制效率，无法克服低头效应。”
“解法是彻底抛弃升降舵。让整个水平尾翼作为一块巨大的操纵面进行整体偏转。只有这样，才能在跨声速激波的严重干扰下，获取足够的空气动力学俯仰力矩，强行把机头拉起来，将控制权还给飞行员。”
沈兆轩放下教鞭。
“进气道激波锥解决动力。面积律解决阻力。全动平尾解决控制。”
“这就是跨越音障的钥匙。”
李枭听完汇报，目光扫过在场的工程师们。
“激波锥，面积律收腰，全动平尾。”
“从图纸修改，到半模跨声速颤振风洞测试，再到新机体的钛合金铆接成型。”
李枭走到黑板前，用手重重地拍在那张画着蜂腰设计的图纸上。
“我给你们六个月的时间。”
“在明年春天结束之前。我要看到大西北的飞机，在平飞状态下，用纯粹的推力和几何学设计，把那堵看不见的音速墙壁，撞得粉碎。我们要确立在超音速维度的绝对统治权。”