■张宇宁

去年国庆阅兵中，我军新研发的一款名为东风—17的弹道导弹火爆了全网。这款导弹的性能优越，从飞行速度上来讲，属于高超声速武器。在通常的室温下，声音的传播速度大概是340米每秒。所谓的超声速，是指某个物体的运动速度超过了声速，而高超声速则意味着物体的运动速度达到了3—5倍的声速。事实上，若想实现超声速飞行甚至高超声速飞行，首先要突破所谓的“声障”。

1945年6月，英国试飞了一款代号为DH-106“燕子”的飞机。当试飞员将该型号飞机速度提升至接近声速时，机身瞬间破裂，并导致机毁人亡。在后续的一段时间里，突破声速一直是航空航天领域的核心议题。当飞行器的飞行速度接近或者到达声速，其所面临的恶劣环境就犹如横亘在飞机面前的一堵障碍墙一样，难以逾越，“声障”这个词也因此得名。

从原理上讲，飞机通过其机型表面等的有效设计，形成气流给飞机向上的力（简称为升力）可以克服飞机的重力，从而实现稳定的飞行。但当飞机接近声速时，飞机的阻力会急剧增加，而升力却减小，给飞机的正常飞行造成一定的困难。不仅如此，飞机的机体也会产生剧烈的振动，极大地影响飞机的操作。

通过仪器测试，科学家进一步发现，飞机表面的压力和温度在其接近声速的瞬间会急剧升高，给飞机的机体带来极大的冲击并造成材料表面的高温破坏。上述难点正是阻碍飞机突破“声障”的核心问题。

想要突破声障，必须在航天基础理论上有所突破。在此过程中，我国的“两弹一星”功勋科学家郭永怀先生在此领域有着杰出的贡献。

我们先围绕一个简单的管道内部流动例子介绍若干相关的流体力学基本概念。

在这个实验中，用阀门控制流经管道的流体流速，可以把管子做成透明的并加入红色墨水等从而方便观察其流动状态。当管道的入口流速从较低的数值不断升高的时候，通过红色墨水便可以观察到，管道内部流体一开始是比较有序而清晰的流动，而后逐渐转变为无序而混乱的流动，这时将发生上述转变的流速准确地记录下来，得到流态转变所对应的流速“上限”。

相反，我们将管道的入口流速从较高的速度开始调整，流动起初处于无序状态，然后逐渐过渡到有序的状态，则得到了流态转变所对应的流速“下限”。之所以有上、下之分，因为上述两个流速基本上不会重合，且“上限”大于“下限”。在飞机的速度接近声速时，飞机周围流体的流动存在着流动状态的急剧变化，类似于上述管道流动中的“上限”和“下限”。

在飞机的初始设计中，科学家更为关注“下限”，但屡试屡败。郭永怀通过严谨的理论推导证明了即使飞行速度低于“下限”，飞机仍然可以正常飞行，并不一定会遇到“声障”。另外，郭永怀更为敏锐地指出“上限”才是真正值得关注的，因为当飞行速度超过“上限”时飞机一定会遇到“声障”。上述研究是空气动力学领域的先驱性工作，具有划时代的意义。

在此思想的指导下，1947年10月14日，人类第一次突破了声障，实现了超声速飞行。具体而言，飞机想要突破“声障”需要在其外形设计方面下功夫，将机翼设计得更薄，部分飞机还将机翼做成了三角形等特殊形状。

与此同时，汽车领域的工程师和科学家也在紧锣密鼓地进行突破“声障”的研究。世界上第一辆突破“声障”的汽车是英国制造的Thrust SSC。1997年10月15日，该车在沙漠中进行了实际运行，最高时速达到1227.985千米，成为当时世界上跑得最快的汽车。作为一段历史的见证，该车被永久地保存在英国考文垂市的交通博物馆之中。

突破“声障”的历史对本科生开展科学研究有如下启发。

基础知识，很多重要的创新均基于对基础知识的深入领会和掌握，并进行知识的灵活运用。例如，上述的很多流体力学故事中涉及的实验和想法，基本上源于大部分本科生流体力学类课程中的常见概念和分析。

广泛阅读，通过读书、看报可以了解科学研究领域的最新思想和进展。初期，可以多看一些科普类的书籍，如果后续对某个专业领域比较感兴趣，再有针对性地看相关领域的杂志。

关注热点，即了解社会、科研领域当前的热点话题及其相关的讨论。例如，美国波音公司的737MAX飞机接连出事，其背后的原因可谓是众说纷纭。有兴趣的本科生可以找一些较为权威的资料进行阅读和思考，并与周边的同学讨论。

国家需求，关注感兴趣领域中国家的核心需求，有效地将个人的兴趣爱好与国家发展紧密地结合起来。比如，航空发动机一直是我们国家的软肋，迫切需要研发，其涉及到很多专业领域内的复杂问题，有很多的机会供同学们大展身手。

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