初原載于? 愛學(xué)習(xí)的? 青春材制

2022-05-13

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????????在全球范圍內(nèi)，新型飛機(jī)的研發(fā)正如火如荼地進(jìn)行著。其中，最引人注目的是協(xié)和式飛機(jī)退役之后再次啟動(dòng)研發(fā)超聲速飛機(jī)的計(jì)劃和關(guān)于太空高速飛行器的研究。或許在不久的將來，我們24h之內(nèi)就能往返于地球上的任何一個(gè)地方...

一.技術(shù)和需求的變化推動(dòng)客機(jī)進(jìn)化

????????現(xiàn)代噴氣式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)基本都懸掛在飛機(jī)后掠翼的下方，這種設(shè)計(jì)是隨著1958年投入使用的波音707確立下來的，之后幾乎沒有任何變化。同樣沒有變化的還有客機(jī)的飛行速度，一直停留在接近聲速的水平。

????????迄今為止，只有蘇聯(lián)圖波列夫設(shè)計(jì)局研發(fā)的Tu-144和英國(guó)與法國(guó)聯(lián)合研制的協(xié)和式飛機(jī)的飛行速度超過了聲速。協(xié)和式飛機(jī)在1975年投入使用，不到3個(gè)小時(shí)就能從美國(guó)紐約飛到英國(guó)倫敦。

????????盡管其快如閃電的速度和充滿未來感的外觀備受大眾關(guān)注，但最終還是在2003年退出了歷史的舞臺(tái)，這又是為什么呢？

二．噪聲和聲爆是瓶頸

　　當(dāng)飛機(jī)的飛行速度超過聲速時(shí)，空氣的阻力就會(huì)急劇增大。因此。協(xié)和式飛機(jī)需要消耗大量燃油。因耗油量大，票價(jià)也相應(yīng)較貴。另外，協(xié)和式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)是針對(duì)超聲速飛行而研制的。因此，飛機(jī)起飛和著陸的噪聲非常大。

　　其中，最嚴(yán)重的問題是激波導(dǎo)致的聲爆。由于物體擠壓并排開前方空氣的波是以聲速傳播的，所以，當(dāng)飛行速度超過聲速時(shí)，飛機(jī)的各個(gè)部件(機(jī)翼、尾翼和進(jìn)氣道等)及發(fā)動(dòng)機(jī)羽流都會(huì)對(duì)周圍空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，形成一系列激波系與膨脹波系；在向地面?zhèn)鞑ミ^程中，這些波系之間相互作用，最后在地面形成頭尾兩道激波，我們就能聽到“轟轟”的兩聲巨響，這就是聲爆。在發(fā)射火箭或隕石墜落時(shí)也能聽到這種聲音，如同炸雷般的巨響。因此，美國(guó)禁止協(xié)和式飛機(jī)在其陸地上空飛行?；谶@些原因，超聲速飛機(jī)的研發(fā)非常緩慢，客機(jī)的飛行速度已經(jīng)達(dá)到了極限。

　　現(xiàn)在，人們期待著超聲速飛機(jī)能夠再次飛上天空。這是因?yàn)橥ㄟ^開發(fā)碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料(CFRP)等新型材料，有望減輕 ?機(jī)身重量和改善飛機(jī)耗油量，另外，通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，也有望減輕飛機(jī)起飛和著陸時(shí)的噪聲。此外，隨著商業(yè)的全球化，人們對(duì)日往返差旅等的需求也日益增加，這也是一大背景原因。

三．有什么方法可以消除激波?

　　只要飛機(jī)以超聲速在大氣中飛行，就不可避免地會(huì)產(chǎn)生激波。因此，飛機(jī)頭部必須盡可能地設(shè)計(jì)得細(xì)長(zhǎng)，后掠翼的前緣必須進(jìn)一步向后延伸以降低激波的沖擊強(qiáng)度。以超聲速飛行的協(xié)和式飛機(jī)、序曲飛機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)等基本都采用了這種形狀。

　　降低聲爆的研究也取得了進(jìn)展。JAXA(日本航天局)和NASA(美國(guó)航天局)在這一領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。JAXA通過改進(jìn)機(jī)頭、機(jī)身和主翼的形狀，成功降低了聲爆。此外，日本東北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出的超聲速飛機(jī)方案，通過將上下兩片機(jī)翼重疊在一起，形成“雙翼型”，就可以消除各個(gè)機(jī)翼產(chǎn)生的激波。

　　亞軌道飛行器的飛行速度能夠超過超聲速飛機(jī)的飛行速度。亞軌道飛行的軌跡呈拋物線狀，最高上升到100千米左右的高度(進(jìn)入太空)。始于2021年的體驗(yàn)幾分鐘失重感覺的太空旅游項(xiàng)目也是在亞軌道上飛行的。

　　普通飛機(jī)是通過燃料與大氣中的氧混合燃燒而獲得推力的，但亞軌道飛行要穿越大氣層，無法利用大氣中的氧，因此除了燃料之外，還需攜帶液態(tài)氧。

　　由于在業(yè)軌道飛行則不借助升力，所以其運(yùn)行方法與通常的方法有所不同。如果能實(shí)現(xiàn)亞軌道飛行不借助，據(jù)說只需30分鐘就能從日本飛到新加坡。目前，從事太空旅游的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)等正在努力進(jìn)行開發(fā)。

四.“去碳化”

????????不只是機(jī)身的形狀，飛行動(dòng)力也在不斷變化。目前，研究人員正致力于研發(fā)使用生物燃料或氫燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，以代替使用化石燃料的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。航空公司正不斷證實(shí)著生物燃料可以取代傳統(tǒng)燃料。

　　隨著電池性能的提高，盡管目前尚無法應(yīng)用于大型飛機(jī)，但可以應(yīng)用于中型或小型飛機(jī)。就像汽車那樣，研究人員正在努力研發(fā)全電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或與傳統(tǒng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更小且能夠分散安裝，所以其設(shè)計(jì)范圍更廣。

　　以氫為燃料時(shí)，利用通過自然能源獲得的電，對(duì)水進(jìn)行電解就能獲得氫，實(shí)質(zhì)上就能實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放。

　　隨著新設(shè)計(jì)理念和新材料的出現(xiàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)，以及需求的變化等，形態(tài)各異的飛機(jī)將相繼亮相，而航空航天事業(yè)也會(huì)繼續(xù)閃耀在世界舞臺(tái)之上。

參考文獻(xiàn)：

1.《協(xié)和式飛機(jī):成功的技術(shù)，失敗的經(jīng)濟(jì)》祖林 科學(xué)新聞 2001

2.《飛機(jī)噪聲技術(shù)研究—工程解決方法》張正平、任方、馮秉初《航空學(xué)報(bào)》2008

3.《激波的原理》——百度百科

撰? 稿? 人：科技協(xié)會(huì)科創(chuàng)部? ? ? ? 李家杰 趙韋業(yè)

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