人类第一次超音速飞行的Chuck Yeager(加点F1赛车和空气动力学)

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2infinitybeyond
楼主 (北美华人网)
在看一本叫Sticky的书,讲surface science的,写得非常好。其中一章讲到飞行,深入浅出解释空气动力学,轻轻松松就把我上次研究f1赛车的时候没弄明白的乱流的问题解答了。讲飞行必然讲到超音速。作者提到了第一次超音速飞行的Chuck Yeager,于是我又噗通一声栽进好大一个兔子洞。 
Yeager这人非常神奇,是击落过13架敌机的王牌飞行员Ace。不光是ace,还有ace in a day,一天之内击落五架的记录!他是试飞过360种机型的试飞员,后来是空军试飞员学校的指挥官,所有的阿波罗宇航员都是他的学员。他是第一个在空战中打下喷气式飞机的飞行员,也是第一个飞苏联的米格15的美国人。 Yeager高中毕业就加入了空军,但因为学历不够,不能做飞行员,只能做地面technician。但美国参战后降低了学历要求,他在参军两年后终于如愿以偿做了飞行员。他的视力是20/10,是能在半公里外射击打中一头鹿的水平。他在法国上空打落第一架敌机之后自己也被打中,落去了敌占区,在法国游击队的帮助下才回来。那时候的规定是从敌占区回来的飞行员不准再飞了,这件事他可不干。于是他和另外一个同样处境的飞行员一路吵到了盟军最高总司令艾森豪威尔那里去,终于得以重新上天,然后才有了ace in a day的记录。这个单日王牌记录也很有趣,有两架飞机都不是他打下来的,他只是瞄准了一架敌机,敌机飞行员被吓坏了,慌忙闪避中撞到了自己的翼机,于是一发子弹没用就打了两架下来。
战后因为他飞行员和technician的背景,他选择去做了试飞员,所以才有了超音速飞机的试飞。试飞那天也很有意思。他在试飞前两天骑马摔下来撞断了两根肋骨,生怕因为这个不让他飞,所以完全没有声张,自己偷偷绕过军医去看了平民医生。这个超音速飞机Bell X-1也不是靠自己飞上去的的,而是装在一架B-29下面,飞到8000米的高度之后丢下来,然后点燃火箭发动机进入超音速的。这就有了一个问题,飞机巡航到了8千米的时候,Yeager需要从B29爬进BX-1,然后关上门,但他不是断了肋骨么,实在痛得没法抬起手来关门。最后是他的好基友给他用扫把柄改装了一下舱门,他这才能顺利关上舱门。
据他说,进入超音速的时候,其实飞机非常的平稳,除了读数表告诉他进入了一马赫之外,毫无征兆,所以他觉得非常的失望。真正的振动和不稳定其实发生在0.8马赫左右进入transonic(跨音速)期间,这个就是空气动力学的范畴了,我还在反复研读书上这段试图理解哈。有意思的是这次超音速飞行原来是有完整的视频记录的,可以看这里:https://youtu.be/i_rFAo358bU?si=qLxHyt38ILxU8CUP Bell X-1长这样 Yeager的第一次超音速飞行是1947年。六年后的1953年,他又突破了音速的两倍的极限,飞到了2.44马赫。要知道最快的载人喷气式飞机Blackbird,也就飞到3.5马赫而已。五马赫以上已经是高超音速(hypersonic)的范畴了,除了太空穿梭机,只有非载人的试验机了,最快的是9.7马赫,是nasa的X-43A。
Yeager的试飞员生涯在一次严重事故后停了下来,他就去做了飞行教官,一直做到空军试飞员学校的指挥官。最早的宇航员都是试飞员出身,所以所有的阿波罗宇航员都是他手下出来的学员(他做教员带Neil Armstrong飞还嘲笑他失手)。但因为他只有高中学历,没法做宇航员,也是很遗憾。他后来在朝鲜战争和越战里都带过兵,退役时的军衔是准将。
他所有的飞机的名字都是Glamorous Glennis,用的他当时的女友后来的太太Glennis的名字。飞行生涯70年(!),从20岁飞到了90岁,直到2020年以97岁高龄过世。回看他一生,他老人家在二战用螺旋桨飞机打过仗,也在推特上吵过架骂过人,是不是特别神奇!(所以Bill Anders90岁高龄单机失事这件事看起来也没有那么出奇了嘛…)
我在研究Flying Ace的时候发现原来德国空军非常厉害。他们有喷气式飞机Me 262,甚至还有一款火箭动力的飞机Me 163,速度非常快,给盟军带来极大的心理阴影。盟军只有英国在44年才终于追上,有了喷气式飞机Gloster Meteor,比德国整整慢了两年。飞机上吃亏,打起来就吃亏。盟军国家的ace最多也就打下几十架飞机。而德国的ace以打下百架飞机起步都排不进前十名,就连日本也是三十架起步。德军ace有2500人之多,就连日本都有快五百个,盟军全部加起来大概也就这个数,可以想象盟军二战的时候损失多大。值得一提的是中华民国在二战中也是有25个王牌飞行员的,了不起。
德军的火箭动力飞机也很有意思,我之前特别提到它给盟军带来的心理阴影大,而没有提打击大,是有原因的。这个飞机速度是快,但缺点也很明显,它滞空时间短,更惨的是降落的时候全靠无动力滑翔,没有什么闪避的能力,所以盟军立刻就发现了一个鸡贼的打法:守株待兔等me163降落阶段去追打。所以me163的胜率非常低,一共只打下九架飞机,却赔了14架进去。 还有要提的是日本也是有火箭动力的飞机的。神风用的樱花攻击机也装备有三枚固体火箭,只能用一次,目的也很明确,就为了加速去自杀式攻击。 所以德国的me163 Komet依然是唯一在战场上用过的液体火箭动力飞机。 (呼,好深一个兔子洞,书还没看完呢。Sticky这本书我强烈推荐,Surface science可算材料科学,但是是化学,物理和工程的交集,非常有意思的学科,书也写得好,在我心里可以赶超Stuff matters,小伙伴们快上)
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changheruhailiu
好文章。又看到耶格老爷子的故事,赞一个!
这些故事曾经承载了我少年时的梦想啊。当年特别喜欢的杂志排第一的就是《航空知识》,影响深远,差不多影响了一生的职业选择。
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aibeca
好贴要赞👍
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2infinitybeyond
changheruhailiu 发表于 2024-06-17 07:59
好文章。又看到耶格老爷子的故事,赞一个!
这些故事曾经承载了我少年时的梦想啊。当年特别喜欢的杂志排第一的就是《航空知识》,影响深远,差不多影响了一生的职业选择。

呀,这是我孤陋寡闻了。我这还是第一次真正去了解超音速第一人。有啥我漏了的故事,也拿来讲讲嘛。
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gigivivi
好看好看!F1赛车和空气动力学展开说一下呗
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2infinitybeyond
那我把之前f1赛车那篇也贴了好了。sticky讲完飞机就开始讲轮胎,正好又是f1赛车。 几年前周冠宇赛车事故全靠Halo救命的时候我看了篇特别有趣的文章。我刚刚提到乱流没弄明白的问题就来自于这里。
Halo 7/4/22
今天果壳推了这篇讲formula 1赛车上2017开始要求的Halo安全系统,这个人字拖形状的东西。https://mp.weixin.qq.com/s/jI-xN_k62BA42UmJT-usSw
看起来真的挺结实的样子。 我忽然就很好奇这个被车手车队痛恨的救命的系统到底给原有的赛车带来什么问题,以及最重要的,怎么被解决的。找来找去找到这篇文章,够nerdy,合我意。https://www.racecar-engineering.com/tech-explained/tech-explained-formula-1-halo/
总结起来呢,加Halo就有了三个问题:结构,重量,空气动力学。
结构上,halo光自己结实不行,还得固定在机壳上才有用。而halo后面接车身的地方传统上来说是结构比较弱,不足以支撑halo需要承受的力的。这个就需要改已经优化后固定下来的车身。但工程师们倒是很高兴,因为各车队的车身在各种安全规定下差不多已经同一化了,也没什么特别可以发挥的地方了。然后忽然来了个新玩意…大伙儿可以挽起袖子玩儿啦!
重量也是个问题。halo自己本身是钛合金的,最低重量要求是七公斤。但要固定在车身上,加上车身结构的加固改动,一下子加起来就变成20公斤。今年的方程式赛车的最低重量要求是798kg(往年大概刚到七百)。普通房车,比如小小的一辆prius也要1400kg,几乎翻倍。车上最重的部件是引擎,输出马力1050hp,是Prius几乎十倍,但重量也只占了150kg,只比Prius引擎重不到一倍。所以在f1赛车上,每一公斤都是以速度来换的。一下子加了二十公斤,就得琢磨什么别的地方可以省下来。 这多出来的20kg重量带来的更麻烦的问题,是重心的变化。一下子在车前面加了20kg,高速转向之类的控制能力都变差了,车的机动性就变差了。所以也是非常让工程师们头痛的问题。(我猜车手们痛恨的也不光是人字拖挡视线的问题,maneuverability恐怕才是最恨的问题。)
最后是空气动力学。本来车型已经按照空气动力学设计到最佳了,忽然多了个结构,就都不一样了。 按照文章说的,有三个不同的走向。一个是加winglet,一方面增加stability(我的理解,压风不飘),一方面降低drag。这是我理解得最容易的一个,就跟好多跑车尾巴上加了个翼那样。 另一个思路是加vortex generator(这个我为了研究为什么加入涡流反而可以快起来差点又掉了个兔子洞!空气动力学和流体力学真的都是坑!总结起来就是 - 不懂!)。 这个在好多车的车顶后面也会看到。 这个我的理解是打乱气流,减少运动中的车和旁边相对静止的空气的接触面带来的drag(原理不理解)。 第三个就不太明白了。我看文章也就只能看出结构上有一点不一样,但具体如何处理空气动力学就没讲了。
这篇文章挺好玩的,建议配合果壳这篇一起看,作为一点点deeper dive。最下面有小标题链接,也能直接翻页。
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gigivivi
赶紧去搜了一下啥是halo https://www.sportingnews.com/us/formula-1/news/halo-f1-when-introduced-what-made-why-important/7a5af33393f9322957bcb1c1#:~:text=The%20Halo%20not%20only%20provides,crash%20by%2017%20per%20cent.
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changheruhailiu
2infinitybeyond 发表于 2024-06-17 10:25
呀,这是我孤陋寡闻了。我这还是第一次真正去了解超音速第一人。有啥我漏了的故事,也拿来讲讲嘛。

我上小学初中的时候好看的杂志不多,偶然看到了航空知识就缠着父母要求订阅。那时候我还没坐过(也没靠近见过)真正的飞机,看到那些“精美”的图片,深深感到了“工业美感”。看看航空发动机那些不同寻常的线条,密密麻麻的各种管线就感觉有黑洞一样的神秘吸引力。当时的航空知识里就有不少关于耶格的文章,他是传奇的试飞员。
后来还特别想学做航模(那时候条件非常简陋,能飞的航模是靠小小的内燃机螺旋桨靠拉绳子控制的,基本上就是有动力的风筝,只能绕圈飞)。
航空知识上有各种连载摘抄什么的,还有专门的海外看中国栏目。各种秘闻从当年的空战,到林彪坐的三叉戟,几次中东战争,还有英国远征阿根廷的马岛战争。记得阿根廷全面败退,唯一拿得出手的战绩就是从法国买的超军旗用飞鱼导弹击沉了谢菲尔德号导弹驱逐舰。当时感叹价值2亿美元的号称最先进的导弹驱逐舰被一枚200公斤重的导弹干掉了。
早期杂志连封面都是黑白的,到了80年代中才有彩色封面和插图。有时候登的是各种飞机照片,有时候干脆拿各国空军的机徽来充数,我也看得津津有味。从那里看到了能横跨太平洋的波音747-400-SP,要到10多年后才能坐上747。我记得那个时代跨越大洋的飞机都要求是配4台发动机,多/双机组,追求安全可靠性。后来飞机的可靠性越来越好,逐渐远程航班也可以由双发动机的机型执飞。
对了,还记得看到协和号超音速客机,看外形就帅呆了。可惜一直没有机会坐上协和号。
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gigivivi
回复 8楼 changheruhailiu 的帖子
听你讲着就神往!所以你现在是做什么呢?和航天航空还有关系吗?
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changheruhailiu
gigivivi 发表于 2024-06-17 22:16
回复 8楼 changheruhailiu 的帖子
听你讲着就神往!所以你现在是做什么呢?和航天航空还有关系吗?

我本科毕业的时候,大概是百万大裁军的时代,国家没有钱投入。航空工业的研究所厂家都在忙着自己找饭吃。爱好毕竟不能当饭吃,所以我和很多同学“背叛了理想”改行了。现在还坚持在这个行业的同学也还还有一些,但是和国内的同学基本上没多少联系了,时间久了,另外还有避嫌的考虑,毕竟双方的政府都忙着抓间谍,基本不提过去了。
现在就是业余爱好啦。坐飞机的时候有时候会从窗户看机翼的动作,听声音判断一下飞行员在干什么之类的,起飞的时候能看到什么时候拉起,然后看飞行员收襟翼,收起落架,转弯的时候能看到副翼的动作什么的。
比如有时候夏天飞机上挺热但是空调不凉快,可以判断是因为发动机还没启动,用的是备用空调系统,看着头上的行李舱会想这个飞机的空调系统是从哪里引入冷空气和热空气在大概哪个位置混合啦。选座位的时候会想想飞机上哪个座位受发动机噪音影响最小之类。另外,如果坐飞机的最后排,会观察一下结构和各种开关,因为飞机紧急逃生的时候可以把整个机尾抛掉/脱离,可以快速逃生。万幸从来没遇到过真正要用到这类知识的时候。
有时候偶尔还会想起来当年学习考试的种种,伯努利方程之类已经想不起来了,但是大的概念不会忘,比如飞机为什么跨音速是一个重要的里程碑,高速飞行的用激波理论啥的。
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2infinitybeyond
回复 10楼 changheruhailiu 的帖子
这也太有意思了!我就愿意坐飞机坐你旁边听你唠嗑。 我上次去纽约看uss intrepid的时候去晚了,没来得急看旁边的Concorde,就很遗憾。
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changheruhailiu
回复 11楼 2infinitybeyond 的帖子
哈哈!我也老喜欢唠嗑啦
可惜我家里人都对这些不感兴趣,我有时候说到这类话题,不知道为什么有点“白头宫女话玄宗”的感觉。他们倒是对医药健康,基因编辑,人脑接口之类的话题特别感兴趣,所以我也特别喜欢看你和Gigivivi写的文章
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gigivivi
changheruhailiu 发表于 2024-06-17 23:43
我本科毕业的时候,大概是百万大裁军的时代,国家没有钱投入。航空工业的研究所厂家都在忙着自己找饭吃。爱好毕竟不能当饭吃,所以我和很多同学“背叛了理想”改行了。现在还坚持在这个行业的同学也还还有一些,但是和国内的同学基本上没多少联系了,时间久了,另外还有避嫌的考虑,毕竟双方的政府都忙着抓间谍,基本不提过去了。
现在就是业余爱好啦。坐飞机的时候有时候会从窗户看机翼的动作,听声音判断一下飞行员在干什么之类的,起飞的时候能看到什么时候拉起,然后看飞行员收襟翼,收起落架,转弯的时候能看到副翼的动作什么的。
比如有时候夏天飞机上挺热但是空调不凉快,可以判断是因为发动机还没启动,用的是备用空调系统,看着头上的行李舱会想这个飞机的空调系统是从哪里引入冷空气和热空气在大概哪个位置混合啦。选座位的时候会想想飞机上哪个座位受发动机噪音影响最小之类。另外,如果坐飞机的最后排,会观察一下结构和各种开关,因为飞机紧急逃生的时候可以把整个机尾抛掉/脱离,可以快速逃生。万幸从来没遇到过真正要用到这类知识的时候。
有时候偶尔还会想起来当年学习考试的种种,伯努利方程之类已经想不起来了,但是大的概念不会忘,比如飞机为什么跨音速是一个重要的里程碑,高速飞行的用激波理论啥的。

好有趣,每一条都想听你掰开揉碎好好讲讲。