【科普花园】《新世纪飞天梦》连载(5) 升空飞天是人类不断的追求(之四)

作者: 2021-05-17 17:18 来源:
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编者按:《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂,以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实,展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程,说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能,还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意,他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的,有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗?”等框图形式在文中给出。

 

  升空飞天是人类不断的追求(之四) 

王柏懿 

 

  2.4 被称为第六代飞机的高超声速飞行器 

  飞得更高、更快、更远,一直是航空工程师们的追求。 

  咱们先来说一说“更高”吧!目前,所有飞机 “造访”过的空域大体是海拔20千米以下的低空。比20千米更高的空域,就是前面提到过的“临近空间”,它的高度范围是20-100千米。近年来,许多新型的飞艇开始占据这个空间,它们不能像飞机那样快速、机动。新一代飞机,也要开始要征服这个高程啦! 

  但是,为什么这里还提出了一个“上限”高程——100千米呢?因为,高程越大,地球大气层的空气就越稀薄。啊哈,原来海拔高度超过100千米,那里几乎就“没气儿”啦!小朋友们也知道了,飞机能够“漂浮”在空中,是靠机翼产生的升力,而升力是靠机翼上下两侧空气的压力差而产生的。没有空气了,飞机就飞不起来了。所以,海拔100千米以上的空域就成了卫星的天地,它们被火箭送上太空后便沿着一定的轨道绕着地球转圈了,不需要升力就可以“活着”。所以,目前,航空航天工程师们的一个目标就是研究发展临近空间飞行器。对啦,仔细的小朋友发现这里加了“航天”两个字,为什么?看到下面,你就会明白,这类“飞机”也可以为航天工程服务的。所以,专家们往往不再称它为“飞机”,而用“飞行器”这个名字。 

  那么“更快”是什么意思呢?目前,大多数的民航客机还是以低于空气声速的速度在飞行,战斗机则可以达到超声速,例如俄罗斯的米格35、美国的F22和中国的歼20。飞机的发展历程就是从亚声速开始一步步走过来的,临近空间飞行器的目标是飞行马赫数大于5,人们也称它为高超声速飞行器。为什么在临近空间里飞行的飞行器要这么高的速度呢?因为升力的大小不但和飞机的外形有关系,还和飞行速度以及周围空气的密度有关系。飞行速度越高,空气越稠密,产生的升力就越大。在临近空间里,空气相当稀薄了,为了获得足够的升力,飞行速度就必须很高。所以,可以说,在“更高”的目标下,“更快”不仅仅是一种“需要”,而且也是一个“必须”。换句话说,只有飞行速度超过5倍声速,飞行器才能在“更高”的临近空间里恣意翱翔。 

  最后,再来看一下“更远”的目标。早在上个世纪40年代,我们的火箭之父钱学森就首先提出了“高超声速”的概念,并提出要考虑研究能够在1小时从纽约飞抵巴黎的洲际高速飞行器。它和咱们知道的洲际导弹不同,不是主要是在大气层外飞行,而是先靠助推火箭升空跨出大气层,然后返回大气层滑翔飞行,所以具有一定的气动外形,可以凭借升力长距离飞行,而且可以实现机动。他还为这种远航程的飞行器设计了一条特别的飞行轨道,现在被人们称为“钱学森弹道”。 

  正是因为能够飞得更高更快更远,今天,高超声速飞行器已经成为世界强国竞相研究的国之利器。它首先被用来作为高超声速武器,因为速度高、航程远又能作机动飞行,所以一般的反导武器无法实现拦截。它还被考虑作为发射卫星等的一级推进系统,这种推进系统可以水平起降,还可以重复使用,是目前火箭推进系统的一种替代方案。所以,航天工程师十分关注这类高超声速飞行器,他们已经设计制造了不少机型,正在试验中。当然目前的型号大都是军用的,而且主要是无人机。例如,俄罗斯的高超声速巡航导弹yu-71和一种无人轰炸机,其中yu-71的飞行速度可以高达马赫15。又如,美国的X-51a,sr-71X-43等。 

  这些高超声速飞行器和通常的高速飞机相比,在结构外形有了明显的变化。它们的机翼都比较小,下表面很平坦。这是一种被称作“乘波体”的飞行器.它不像常规飞机那样,主要靠机翼的升力漂浮在空中。但乘波体的升力,来源主要是依靠在飞行器头部形成的附体激波在飞行器下表面所产生的压力。它就像“骑乘”在激波上飞驰向前。 

  

  (未完待续) 

    

    

 

 

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