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妈妈再也不用担心我飞不快了
文章来源:力学研究所    发布时间:2017-11-17

  今天我们来讲一个把不利因素利用起来帮助我们实现突破的故事。

  我们都知道飞机飞得越来越快啦,样子也越来越漂亮,从很久很久以前人们想象的这样

  到真正飞起来的时候长这样(是不是有点失望!):

  然后越飞越快长成这样(还是不漂亮啊):

  再后来长成了这样(女大十八变嘛):

  还有这样的……对不起,这一定是设计师那天喝多了……(其实在二战末期这是非常非常先进的战斗机!):

  然后设计师们就没办法让飞机飞得更快了,为什么呢?因为他们遇到了一个东西叫做音障。

  让我们看看科学家们的解释:

  想象你把一块石头扔到水里,就会出现一圈圈的涟漪,也就是石头扰动水面形成了波;同样的,物体在空气中运动的时候也会扰动空气形成波,当波的频率在人耳可以听见的范围就是我们听到的声音。很显然波在空气中的传播速度是有限的,也就是声音的传播速度---音速。如果飞机飞得很快,达到了音速,它激起的那些波就被飞机本身赶上了,并且堆积起来。换句话说,就是空气分子来不及逃开,被挤压在了一起,形成一张看不见的薄薄的膜,就像这样:

  那个……科学家们画出来是这样

  所以这张膜之后的空气压强很高,而这张膜之前的气流则是正常的来流,这张膜我们称它为“激波”。

  于是被激波挡住了的飞机就成了这样

  在跨越音障时,飞机受到的阻力很大,这对机体结构也是一个很大的考验。所以飞机要跨越音障,首先力气要大,也就是发动机要强;第二是身体要结实,不能散架;第三就是头要尖,身子要细长,这样空气阻力才能小。

  在这样的设计思想指导下,后来的飞机就越来越像咱们现在见到的很漂亮的飞机了

  下边这张图是著名的“协和”超音速客机,可以看到尖尖的机头和薄薄的机翼,以及水汽在激波面附近由于压强和温度变化凝结成小水滴而形成的液滴云。

  当设计师们成功地让飞机超过音速之后,不知满足的他们又开始希望飞机飞得更快些、再快些 !

  可是他们很快就发现,飞得越快,飞机的升阻比就越低。也就是说,升力一定的情况下,飞得越快阻力越大,飞机的航程就没法保证了,就像你原本能一路慢悠悠地走着从北京到天津,结果你不知死活的选择了全速跑步,还没跑出六环就歇菜了

  一般的飞机在飞行时,其实是需要依靠飞机迎着风,让气流撞击它的机(du)体(zi)和机(chi)翼(bang)的下表面,利用这个力垂直于机身轴线的力分量来获得升力的,就是这样:

  在超音速情况下由于有了激波,形象的表达是这样:

  可以看到,尽管飞机肚子底下那部分激波后边的高压空气提供了升力,可是飞机背上也还是有一部分激波后的高压气流,把一部分升力给抵消啦。所以要得到足够的升力就只能增加飞机迎角(上边图里的α,气流撞得正撞击力才大嘛),可是这样阻力也就跟着大了,所以想要有足够的升力,就很难有高的升阻比。

  一位名叫Kuchemann的科学家总结了大量的实验和计算结果,提出了一个高速飞行时候飞机的升阻比极限公式:

 

  公式里左边是最大升阻比,右边公式里的是马赫数,也就是飞行速度相比音速的倍数。数学很好的你一看就知道,马赫数如果无穷大,理论最大升阻比就只有4了,而实际上,即使是这个数字也是很难达到的。也就是说,如果按照飞机的设计方法,无论怎么设计,都没法设计出飞得又快、飞得又远的飞机

  可是无所不能的科学家们(……当然还有攻城狮们)怎么会被难倒呢!

  于是,Terence Nonweiler,也就是我们今天的主角(话说出场有点晚呀),提出了一种新想法:

  如果能够充分利用这些激波后的高压气体来提供升力,又不让它们在飞机背面抵消掉升力,那不就不需要很大的迎角就可以获得足够的升力了吗?就像这样:

  这种飞行器需要从已知流场中通过反设计方法设计出来,最后它长这样(是不是很酷!):

  这种飞行器(已经没法叫飞机了)上表面完全是跟飞行方向平行的,没有额外阻力,而机体前缘又紧紧地贴着激波,这样激波后边的高压空气就不会跑到飞行器上边去了。所以这样的飞行器在0°迎角的时候也能有不小的升力,而阻力在这个时候却并不大!理想的情况下,它的升阻比是完全可以达到6、甚至更高的!(当然在真正的应用中因为激波没办法紧贴前缘,其实是达不到理论值的,但是仍然比传统的飞机好得多

  这样的飞行器在飞行的时候看起来就像是“骑(乘)”在激波上一样,它就像是阿拉丁,激波就像是它的魔毯,所以人们给它命名为“乘波体”。

  乘波体的概念其实已经出现了几十年,研究者们解决了诸如容积率、热防护、稳定性等等很多问题,逐渐尝试把它应用在真正的飞行器上。现在已经试飞的高超音速飞行器有一部分已经应用了乘波体的原理,比如美国能以20马赫飞行的HTV-2:

  在未来,没准儿也许会出现能够载人飞行的高超音速飞行的乘波飞行器,如果真的有机会坐上它,要记得你的脚下可是踩着一张魔毯哟。

  文中出现过的飞机/飞行器:

  达·芬奇笔下的飞机

  莱特兄弟的“飞行者一号”

  英国一战名机“骆驼”

  美国二战名机P-38

  二战末期德国设计的TA183喷气式战斗机,未投产

  “协和”超音速客机

  乘波体飞行器

  魔毯

  美国HTV-2高超音速飞行器

  素材提供:smzdm.com、QQ、微信表情包、afwing.com飞机图片、baidu图片

  (作者:张陈安,中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室高级工程师)

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