自1903年萊特兄弟發(fā)明世界上第一架飛機(jī)開始，人類對(duì)于飛機(jī)飛行速度的追求就從未停息過(guò)。飛機(jī)的外型對(duì)飛行速度有何影響？為什么飛機(jī)要設(shè)計(jì)成這樣？不同用途的飛機(jī)在外型設(shè)計(jì)上有什么講究？在中國(guó)科學(xué)院《科學(xué)公開課》系列抖音直播中，崔凱研究員就這些問題一一進(jìn)行了解答。
崔凱是中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員，主要從事飛行器外形設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。在2月22日晚8點(diǎn)的抖音直播中，崔凱從飛機(jī)的“體型”及其背后的原理、未來(lái)的高超聲速飛機(jī)“體型”等方面展開為大家普及飛機(jī)體型設(shè)計(jì)背后的科學(xué)原理。
“如果把飛機(jī)比喻成一個(gè)人，那么發(fā)動(dòng)機(jī)就是心臟，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是骨骼，飛控系統(tǒng)是神經(jīng)，飛機(jī)的外形則是人類的體型。飛機(jī)看上去十分復(fù)雜，但是它在飛行時(shí)的基本受力只有重力、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、升力和阻力四個(gè)力。飛機(jī)的“體型”之所以不斷發(fā)展，就是為了更好地利用空氣動(dòng)力，即升力和阻力的合力。崔凱以人做比喻進(jìn)行講解，讓大家對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)有了直觀的認(rèn)識(shí)。
崔凱在直播中介紹，飛機(jī)空氣動(dòng)力主要來(lái)自于機(jī)翼上下表面的壓力差，這種壓力差在垂直方向上的差值形成升力，在水平方向上的差值形成阻力。空氣動(dòng)力與機(jī)翼面積、飛行速度、升力與阻力系數(shù)這三個(gè)因素呈正相關(guān)，與空氣密度呈反相關(guān)。
目前，常見用途的飛機(jī)包括：追求速度與航程的戰(zhàn)斗機(jī)、追求經(jīng)濟(jì)性的民航飛機(jī)和追求性能的超大容量運(yùn)輸機(jī)。不同飛機(jī)的用途決定其不同的升阻比，升阻比越高，在同樣的條件下飛得越遠(yuǎn)，并直接影響了機(jī)型，因此飛機(jī)機(jī)型的好壞只是相對(duì)的。
接下來(lái)，崔凱結(jié)合飛機(jī)的速度發(fā)展歷程解釋了飛機(jī)“體型”背后的科學(xué)原理。他介紹，早期的飛機(jī)受限于技術(shù)水平，只能使用螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)與木制的雙層機(jī)翼，升力系數(shù)小，飛行速度慢。后來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到雙層機(jī)翼飛機(jī)存在著重量大、阻力大等問題，需要更強(qiáng)有力的發(fā)動(dòng)機(jī)、更輕且結(jié)實(shí)的材料和更合理的外型。基于此，飛機(jī)外形從雙翼外形向單翼外形的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生。
而機(jī)身呈流線型且具備先進(jìn)尾翼的單翼飛機(jī)又由于空氣存在可壓縮性，會(huì)受到增加的阻力從而減緩其飛行的速度。為了解決這種問題，科學(xué)家研制了后掠翼，即翼尖小翼技術(shù)。21世紀(jì)后，隨著飛行技術(shù)的快速發(fā)展，人們研制出了機(jī)頭尖、機(jī)身細(xì)長(zhǎng)的超聲速飛機(jī)，它采用大后掠三角形機(jī)翼，極大地減小了飛行時(shí)的阻力，幫助實(shí)現(xiàn)超聲速飛行。頗具代表性的是如今飛得最快的“雙三”飛機(jī)——美國(guó)SR-71“黑鳥”。
在直播最后，崔凱結(jié)合自己工作的經(jīng)歷，向大家介紹了高超聲速飛機(jī)的前世今生和未來(lái)發(fā)展。所謂高超聲速飛機(jī)，就是飛行速度超過(guò)5倍聲速、每小時(shí)飛行距離超過(guò)5000km的飛機(jī)，“如果真的可以研制出高超聲速飛機(jī)，那么地球真的變成了地球村。”根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，超聲速飛機(jī)大多都非常扁平，內(nèi)部裝載空間很小，只能用于飛行實(shí)驗(yàn)或者特殊需求，無(wú)法滿足高超聲速飛機(jī)“飛得遠(yuǎn)、裝的多、載的重”的使用需求。
為了達(dá)到高超聲速飛機(jī)可以載重物的目標(biāo)，科學(xué)家們只好將它設(shè)計(jì)得“胖”一點(diǎn)。但隨著而來(lái)的是飛行器上方氣流壓縮增強(qiáng)導(dǎo)致阻力增大的難題。據(jù)研究，減少“垃圾氣流”的產(chǎn)生幾乎不可能，“既然回收不了，那可不可以進(jìn)行回收利用呢？”經(jīng)過(guò)崔凱研究團(tuán)隊(duì)10余年的實(shí)驗(yàn)探索，終于找到了答案：增加高壓捕獲翼。
高壓捕獲翼可以捕獲有害的高壓氣流，形成二次壓縮，而且理論上產(chǎn)生了更大的升力助力飛行。由于現(xiàn)在科學(xué)家們做的工作處于相對(duì)基礎(chǔ)的層面，要實(shí)現(xiàn)超高速載人飛行還有很長(zhǎng)的路要走，但崔凱表示，相信在大家的努力下，設(shè)想一定會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。
《飛機(jī)“體型”中的奧秘》是中科院《科學(xué)公開課》中的一期，該公開課旨在激發(fā)中小學(xué)生的科學(xué)好奇心、增長(zhǎng)科學(xué)知識(shí)。據(jù)了解，該系列課程于1月25日起，每周二、四、六晚8點(diǎn)在抖音直播，其精彩內(nèi)容還將以頻道合集形式納入抖音青少年模式，激發(fā)更多青少年學(xué)習(xí)興趣。用戶在抖音搜索“中科院物理所”，即可關(guān)注預(yù)約直播。
