九三閱兵大家都看了吧？這次最受外界矚目的裝備當(dāng)屬首次亮相的DF-61洲際彈道導(dǎo)彈，據(jù)傳其末端最大速度可以達(dá)到馬赫25（注:傳說(shuō)奧特曼的飛行速度僅為馬赫10），還有此前已經(jīng)亮相過(guò)的DF-17高超聲速導(dǎo)彈，高超飛行的能力讓世界現(xiàn)存反導(dǎo)系統(tǒng)難以攔截，妥妥的“國(guó)之重器”！
圖1 “DF-61”洲際彈道導(dǎo)彈和“DF-17”高超聲速導(dǎo)彈
然而你可知道，飛行速度這么快的代價(jià)是什么？當(dāng)人類駕駛有史以來(lái)最快飛機(jī)X-15試圖沖刺馬赫5以上的飛行速度，機(jī)腹結(jié)構(gòu)被“某種力量”撕裂變形；當(dāng)DF-61洲際彈道導(dǎo)彈以馬赫20以上的末段速度沖向任務(wù)地點(diǎn)，彈頭溫度足以讓金屬軟化；當(dāng)“嫦娥飛船”返回艙以馬赫30的速度穿越大氣層返回地面，表面涂層燒蝕殆盡。究竟是什么讓這些航天器和飛機(jī)在看不見(jiàn)的空氣中遭遇“燒傷”甚至解體？你可能會(huì)以為，是摩擦。其實(shí)不然。真正的罪魁禍?zhǔn)?，是一種隱藏在空氣中的“隱形墻”——激波。
圖2 “嫦娥六號(hào)”返回艙表面遭受嚴(yán)重?zé)g
圖3 超聲速風(fēng)洞中拍攝到鈍頭體前面出現(xiàn)的“弓形激波”
什么是激波？
設(shè)想你正劃著小船逆水前行，船頭不斷堆積水波，最終匯聚成一道浪墻。飛機(jī)在空中飛行也一樣：當(dāng)飛行速度接近甚至超過(guò)聲音傳播速度時(shí)，機(jī)體前方的空氣來(lái)不及躲避，被壓縮成一堵看不見(jiàn)的“空氣墻”——這就是激波。美國(guó)宇航局通過(guò)現(xiàn)代攝影手段捕獲到了兩架超聲速飛機(jī)飛行時(shí)產(chǎn)生的激波（顏色為后期添加），是不是很像湖中快艇產(chǎn)生的水波？
圖4 NASA拍攝的兩架超聲速飛機(jī)產(chǎn)生的激波
它不是普通的風(fēng)，也不是簡(jiǎn)單的壓強(qiáng)波，而是一種“劇變現(xiàn)象”：在極薄的空間內(nèi)，空氣的壓力、溫度和密度突然躍升。前一刻空氣還平靜如水，下一刻便被壓縮成灼熱的高溫高壓氣體。飛行馬赫數(shù)越高，波后氣體的溫度、壓強(qiáng)就越高（相關(guān)空氣動(dòng)力學(xué)原理圖 5所示）。這股能量巨大得令人膽寒：它可以瞬間把金屬燒紅，甚至摧毀機(jī)體結(jié)構(gòu)。難怪當(dāng)航天器再入大氣層時(shí)，必須披上一層厚厚的防熱瓷磚。
圖5 激波前后空氣性質(zhì)變化的示意圖
激波為何如此可怕？
因?yàn)樗皝?lái)得快，力道猛，范圍廣”。當(dāng)飛行器以超音速飛行，激波就像緊貼機(jī)身的“烈焰刀鋒”，速度越快，激波的破壞力越大，所到之處壓強(qiáng)劇變、熱量劇增。一旦處理不當(dāng)，輕則表面炭化剝落，重則結(jié)構(gòu)斷裂、飛行器解體。
圖 6為人類有史以來(lái)駕駛過(guò)的最快飛機(jī)X-15A-2，在1967年以馬赫6.7的速度飛行時(shí)，由于加裝的外部油箱改變了流場(chǎng)分布，使激波打到了垂尾上，致使局部熱量陡增，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?zé)g、飛機(jī)全面返廠翻修。激波的存在，對(duì)飛行器設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，既是攔路虎，也是照妖鏡——一切結(jié)構(gòu)薄弱、布局不當(dāng)之處，在它面前都無(wú)所遁形。
圖6 X-15A-2飛機(jī)結(jié)構(gòu)曾多次被激波破壞
人類如何對(duì)抗激波？
面對(duì)這道“看不見(jiàn)的墻”，工程師展開(kāi)了一場(chǎng)場(chǎng)隱形的博弈。為了抵抗高溫，他們研制了耐燒蝕材料、隔熱涂層，將高速飛行器頭部進(jìn)行鈍化處理；為了減小激波阻力，他們發(fā)明了減阻桿、逆向射流等技術(shù)將激波推離飛行器表面。他們反復(fù)優(yōu)化翼型、強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，還在地面搭建了高超聲速風(fēng)洞復(fù)現(xiàn)激波，在風(fēng)洞中“先見(jiàn)未來(lái)”，讓激波為我所知。
圖7 部分彈道導(dǎo)彈頭部存在的減阻桿
圖8 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所JF12高超聲速風(fēng)洞原理示意圖[1]
但激波只是危險(xiǎn)嗎？這恰恰是故事的反轉(zhuǎn)。
利用激波：從敵人到盟友
既然激波可以集中能量，那為何不用它“加個(gè)力”？1959年，英國(guó)學(xué)者Nonweiler[2]首次提出了“乘波體”概念，最常見(jiàn)的乘波體外形如圖 9所示。通過(guò)特定的設(shè)計(jì)方法，飛行器能夠“騎”在激波上飛行，巧妙利用了激波產(chǎn)生的高壓氣體增加升力，拉開(kāi)了人類對(duì)激波開(kāi)發(fā)利用的大幕。但此類構(gòu)型往往極為扁平，內(nèi)部較小的容積使工程應(yīng)用非常困難。
圖9 最常見(jiàn)的乘波體原理示意圖
難道大升力和大容積注定無(wú)法同時(shí)滿足？針對(duì)這一嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所提出了高壓捕獲翼新型高超聲速氣動(dòng)布局形式[3]，通過(guò)巧妙的大容積機(jī)體設(shè)計(jì)將激波引導(dǎo)至“捕獲翼”下方，機(jī)體激波在捕獲翼下方反射后產(chǎn)生的高壓氣體就能為飛行器所用，從而大幅提升飛行器的升力。經(jīng)過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)考核[4]，該構(gòu)型在高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)性能方面的領(lǐng)先地位已經(jīng)得到充分驗(yàn)證，未來(lái)或?qū)⒃诠こ虒?shí)踐中取得更大突破。這些設(shè)計(jì)的核心理念正是“變廢為寶”：讓原本有害的激波，成為我們馴服高超聲速世界的利器。
圖10 高壓捕獲翼構(gòu)型原理示意圖[5]
圖11 高壓捕獲翼構(gòu)型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c紋影圖[4]
尾聲
激波，是人類在穿越音障、高速飛行中必須面對(duì)的空氣“野獸”。但正是因?yàn)樗鼜?qiáng)大、危險(xiǎn)、難以馴服，我們才從恐懼中學(xué)會(huì)尊重，從失敗中學(xué)會(huì)創(chuàng)造。從最初的燒蝕與解體，到后來(lái)的乘波飛行與高壓增升，激波的故事，是一段從毀滅走向掌控的科學(xué)傳奇。
就像馴龍一樣，激波曾令我們驚懼，但也終將成為我們的翅膀。
參考文獻(xiàn)
[1] 姜宗林. 高超聲速高焓風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 37(3): 347-355
[2] NONWEILER T R F.Aerodynamic problems of manned space vehicles[J].Journal of the Royal Aeronautical Society,1959, 63(585):521-528.
[3] CUI K,LI G L,XIAO Y,et al.High-pressure capturing wing configurations[J].AIAA Journal,2017,55(6):1909-1919.
[4] LI G L,CUI K,XU Y Z,et al.Experimental investigation of a hypersonic I-shaped configuration with a waverider compression surface[J].Science China Physics, Mechanics& Astronomy, 2020,63(5):254721.
[5] 常思源,肖堯,李廣利,等.翼反角對(duì)高壓捕獲翼構(gòu)型高超氣動(dòng)特性的影響[J].航空學(xué)報(bào),2023,44(08):127349.
圖片源自于網(wǎng)絡(luò)和AI創(chuàng)作，僅供科普參考
來(lái)源：力學(xué)科普
編輯：網(wǎng)絡(luò)科普部 ?嘉銘
審核：網(wǎng)絡(luò)科普部 ?藝雯
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