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乘坐高超音速飞机北京到纽约只要 3 小时?

更新时间:2019-09-07

  交通工具的发展一直伴随着人类文明的发展,对于速度的追求是我们的首要目标,在这个目标的牵引下人们从马车时代、汽车时代,发展到现在的高铁和飞机时代,目前最快的交通工具就是飞机,它的速度大概是每小时超过 900 公里。

  大家好,非常感谢演绎 inSite 平台,我是来自中国科学院力学研究所的崔凯,今天我演讲的题目是:高超音速飞行器的颜值。

  交通工具的发展一直伴随着人类文明的发展,对于速度的追求是我们的首要目标,在这个目标的牵引下人们从马车时代、汽车时代,发展到现在的高铁和飞机时代,目前最快的交通工具就是飞机,它的速度大概是每小时超过 900 公里。

  乘坐飞机从北京飞到纽约大概需要 13 个小时左右,这个时间其实并不算长,但是长途旅行下来我们会感到很疲惫,我想很多人在乘坐飞机的时候会有这样的想法,我们能不能飞得更快一些?如果能的话我们到底能飞得多快?为了解答这样两个问题,我想先介绍一个概念,就是今天演讲的主题之一,高超音速。

  飞机飞行速度的度量单位有一个专用的标准,就是声音的速度,我们称之为马赫数。马赫这个词是为了纪念奥地利科学家马赫而命名的,一个马赫数代表一倍的音速,如果按照马赫数来度量的话,现有的飞机速度大概是在马赫 0.8 到 0.9 之间,我们称之为跨音速飞行,对应线 公里。

  而高超音速这个概念是我国非常著名的科学家钱学森,也是我们所第一任所长,在 1946 年提出。高超音速就是指飞行的速度达到或者超过五倍音速以上,我们可以设想一下,如果乘坐这样一种飞机,用五个马赫飞行,从北京到纽约大概只需要两到三个小时,旅行时间将被大幅压缩。

  我想很多人会提这样一个问题,高超音速飞机应该是什么样子?会不会和我们现有的飞机具有相似性呢?这就是我过去十几年主要的研究领域,我想先介绍一项工作,这个工作我们已经进行了将近十年的时间。

  在 2018 年的时候,我和我的研究生们在 Science China 杂志上,以封面形式发表了这篇文章,这篇文章很短只有不到三页纸,但是一经发表以后得到了学术界和媒体的大量关注。除了我们国家,包括美国、英国、欧洲、澳洲、俄罗斯等等,差不多有一百多家媒体对它进行了报道和转载。

  这里有一个反映社会分享度的 AM 指数,我们这个指数达到了 212,目前在这本杂志历史上所有的文章里排名第二位,这本杂志是由德国最著名的出版商斯普林特公司出版的,据他们的统计,在整个 2018 年度这篇文章的下载量达到了 6400 多次,在他们物理领域所有期刊的所有文章里排名第一,而且从这个分布可以看出来有超过 75% 的下载是来自于中国以外的 50 多个国家和地区。

  为什么这篇文章会得到大家的关注?因为在这篇文章里我们提出了一种全新的未来高超音速飞机的设计的方案,虽然仅仅只是一个概念的方案,但是迅速引起了很多很多的关注,我想今天我的演讲,主要就是围绕这样一个话题来展开。

  在演讲的题目里,我用了“颜值”这样一个比较时髦的网络词汇,是因为飞机和人具有很强的可比拟性,比如飞机的发动机相当于我们的心脏,飞机的结构系统相当于我们的骨骼,飞机的燃料就相当于我们的血液,很自然一个飞机的外形就相当于一个人的颜值。

  对于飞机而言它的颜值主要体现在性能上,首先我想通过一个简单的受力分析,来看一下什么是一架高颜值的飞机。

  一架飞机无论多么复杂,飞得多么高多么快,在空中基本的受力只有四个。首先一定会有重力,为了平衡这样的重力而让飞机不掉下来,空气会对它产生一个气动升力,在产生升力的同时会产生一个阻力阻碍飞行,为了克服这个阻力发动机会提供一个推力,这样一架飞机在空中就可以平衡地飞起来。

  有了这样的基本概念以后,会发现其实整个飞机的升力和阻力都和它的外形直接相关,可以看到飞机的外形在设计里面占据一个多么重要的地位,那根据这样一个基本的受力分析,一架高颜值的飞机应该具有哪些基本的特征呢?

  首先一架飞机的用处就是为了远程的载人或者载货,所以要保证一定的装载量,也就是高容积;装完人和货以后它的重量会大大增加,为了平衡自重一定要有一个高升力;此外,我们还希望阻力小一点,这样可以飞得更快,使用的油耗更;在气动里经常会用升阻比这个值,也就是气动升力和阻力的比值,升阻比越大飞机就飞得就越远。因此一架高颜值飞机会总结出来一个三高的特征,就是高容积、高升力和高升阻比。

  我想通过对整个飞机发展史的简单回顾,来看一下飞机的颜值是怎么样通过“整容”来一步一步提升的。

  1903 年,美国的莱特兄弟发明了世界上第一架飞机,那个时候近代空气动力学理论还没有完全地建立起来,因此他们的设计很多时候是偏向于直观的理念,但是他们也认识到了飞机的升力主要是由机翼产生的,机翼越长面积越大升力就越大,但是如果把机翼做得太长它会弯曲甚至折断,因此他们有一个巧妙的做法,把有限长度的机翼分成很多层,既可以保障强度也可以大幅地增加升力。

  实际历史上最多时候曾经出现过六层甚至七层的机翼,而双翼飞机现在偶尔还能看到,它的生命力很顽强,从早期到现在差不多有一百多年的历史。

  比如说前苏联的安-2 飞机,在历史上它的生产时间就超过了 40 年,这种飞机因为机翼面积大,它在低速飞行的时候升力非常大,所以对跑道的要求长度就比较小,安-2 飞机起飞和降落只需要 180 米左右的跑道长度,但是它也存在一个问题,一旦速度加快以后这种双层翼会带来气动阻力的大幅增加,因此就不再适合速度更高的飞行。

  1930 年代单翼飞机开始慢慢替代早期的双翼飞机,一直到现在都是飞机外观上的主流设计。

  从 1970 年代开始,以波音 707 为代表,直到现在的空客 380 包括波音 787 等等,飞行的速度几乎没有什么增加,基本都是维持在马赫 0.8 至 0.9 之间,但是装载量有了大幅的提升,因为空气动力学家花了很多的力气去做机翼形状外形的优化,用更轻的材料生产出升力更大阻力更小的机翼,现在和 40 年前比起来,它的装载量大概能提升四到五倍。

  虽然这种飞机已经很成熟了,但是人们从来就没有放弃过对速度的追求,从上个世纪 50 年代开始,人们就开始探索超音速飞行了,限于当时的发动机条件,当时的超音速飞行一般定位在两倍到三倍的音速之间。

  1975 年,英国和法国合作推出了协和式飞机,前苏联也推出了图-144 飞机,现在这两架飞机都已经停运了,但是我们可以从它的整个外形上,推断出当时的情况。

  一旦飞机开始超音速飞行,超音速气流作用在飞机上,会出现一个比较独特的空气动力学现象,叫做激波,激波的出现会使飞机所受到的阻力会突然大幅增加,为了应对这种情况,就要改变外形来减小激波的阻力,因而超音速飞机的外形和现在常见的跨音速飞机有着较大的差别。

  超音速飞机通常有较细长的机身、较尖的头部以及大后掠的三角翼,这种外形设计非常适合于超音速飞行,但是在低速时候它的性能会比较差一些,尤其在起飞和降落的时候。

  为了弥补这个问题,当时人们的做法就是在起飞和降落的时候,把发动机推力拼命增加,用推力的一部分分量来克服起飞和降落时升力的不足,但在这种情况下首先会导致油耗和成本增加,另外也导致起飞和降落时噪音会大幅度增加,实际上这是协和下马的一个主要因素。

  在最近几年到十几年间,随着发动机技术大幅度往前推进,高超音速飞机已经开始慢慢地映入人们的眼帘,这是去年 2018 年波音公司提出的一个高超音速飞机的摄像外形。

  这是今年的五月美国的 Hermeus 公司推出的一个高超音速飞机的外形,也许将来实际飞行的飞机和它们会有一定的差别,但是我们可以从中了解一些它们的设计理念。

  可以看到它们的外形和现在的超音速飞机差别并不大,都是采用细长的机身,比较扁的机体 而且比较大的后掠的机翼形状,采用这样的方式一定程度上可以保证它比较好的气动性能,但是必须要牺牲大量的容积需求。为了应对这个问题,这两架飞机实际上被定位成高端的商务飞机,搭载的乘客大概是十到二十人,可能只有互联网大鳄、石油大亨消费得起,我们普通大众坐不起。

  在高超音速平衡下,我用计算机模拟得到了围绕一架飞机周围的气流压力的分布图和飞机表面的压力分布的计算结果。图中越偏红色部分表示压力越高,越偏蓝色部分表示压力越低,我们可以把飞机简单地分成上下两个表面,看看升力怎么产生的。

  在飞行的时候飞机的下表面和气流之间存在一个角度,这个角叫做压缩角,有了这个角,高压气流作用在下表面上就会以一个向上的压力抬飞机,这样升力的主要分量就产生了。上表面我们分为三段,它的整个压缩角从头部开始慢慢减小,很明显可以看到上面压缩角大的时候压力大,而这个压力是反过来垂直往下作用在飞机上面,这时候会抵消掉一部分飞机的升力,随着后面压缩角不断减小,颜色越来越偏深蓝,它的升力就会大一些。

  从中可以看到后面两个压缩角往下折完以后,它的容积会有比较大的牺牲,为了取得比较好的气动性能,就必须要把它做成比较扁平的形状。因此从这张图可以很明显地看到,升力、阻力和容积之间存在着非常强烈的矛盾关系,现在把高超音速飞机设计成一个比较扁平的形状,某种程度上是一种无奈的选择。

  这个问题实际上困扰了我很长时间,我一直在想有没有可能通过一种跳出现有设计理念的新模式来改善它,好在大概在几年前找到了这样一个思路,我把它叫做高压捕获翼。

  这两张图也是计算机模拟的效果图,当上表面隆起以后,上方会有一个高压气流存在,如果在上面再给它增加一道薄薄的机翼,我把它称之为高压捕获翼,就可以把这部分高压气流抓住来产生一些额外的升力,因为它的作用是抓住上表面这部分高压,所以我把它叫做高压捕获翼。

  之前几年我们通过大量的理论分析,包括计算机模拟,已经证明了采用这种高压捕获翼,可以比现有的常规机翼升力效率提升几倍甚至十几倍,因此在过去的时间里我们一直在为它努力工作。前期工作主要是做计算机的数值模拟,在 2016 年我们决定开展一次原理性的风洞试验,用了一个模型来验证高压捕获翼的设计原理和设计方法。

  这个实验是在亚洲最大的风洞群,绵阳的中国空气动力学研究与发展中心的一米口径的高超音速风洞做的,实验方法就是把模型固定在风洞里面,然后用一股高速气流吹过它,利用模型和气流之间的相对运动,来模拟一架飞行器真实飞行的情况。

  在气流吹过的几十秒时间里面,我们可以在不同姿态下测得它的升力和阻力,以及还可以用高科技的流场显示设备来看气流到底是怎样流过飞行器的。

  这是在俯仰的姿态下利用流场显示设备给出的实际中气流的流动结构,上面是我们用计算机模拟得到的结果,可以看到它们吻合得非常好,就是这样的原理性实验给了我们极大地信心,我们知道它的原理是可行的。

  这是一个逐步演化的过程,在接下来几年的时间里,我们从这样一个椎体开始,慢慢地加上一个翼,然后把翼做大一些,之后再做优化,最终就形成了文章里的那样一个外形,这个外形在 2017 年也进行了一次吹风实验。

  按照我们目前查到的文献的结果,在这么大的容积条件下还没有一个飞行器现有的升力、升阻比能够超过它,而且我们的指标远远地领先于现有构型的指标,或者说某种程度上我们已经做到了世界最好,当然我们还要再不断往前去努力。

  那以这个为基础,我带着我的研究生想象了一下未来高超音速飞机可能是什么样子,于是我们就做了这样一个效果图。

  也许未来高超音速飞机会是这个样子,也许不会是这个样子,但是我们毕竟在努力,我很希望将来高超音速飞机是这个样子,因为这是由我们中国人自己提出来的一种全新的设计方案,不过即便不是也无所谓,因为重要的是我们曾经为其努力过,因为我们一直都坚信,高超音速飞行会使我们飞得更快、更高、更远,谢谢大家!

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