星際飛行與空氣動(dòng)力學(xué)

鄒盛銓

空氣動(dòng)力學(xué)是研究物體在空氣中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和空氣本身流動(dòng)的規(guī)律的科學(xué)。在那浩翰無邊的宇宙自由真空里，是沒有氣體的。那么，星際飛船是不是可以不必考慮空氣動(dòng)力性能，而設(shè)計(jì)成任意形狀，如球形、立方體等呢？答案是否定的。因?yàn)槿魏涡请H飛船在起飛和著陸階段總要通過地球稠密的大氣層。如果要在別的有氣體的星球上降落，也要通過它的大氣層。這段路程相對(duì)說來雖然較短，但因飛船速度極大，對(duì)其外形仍有特殊的要求。所以研究與星際航行有關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)這一嶄新的課題，對(duì)宇宙航行，有很重要的意義。

擺在空氣動(dòng)力學(xué)家面前的新任務(wù)

當(dāng)物體在空氣中以小于音速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體前方的空氣，在物體尚未到達(dá)時(shí)就讓開了一些。但如果物體以超音速即M>1運(yùn)動(dòng)時(shí)，前方的氣流來不及避讓，于是在靠近物體表面處，氣體微圍的相對(duì)速度驟然減少，壓力和密度跳躍式的增加，阻力增大。這種變化的界面叫做沖波(或名激波)，沖波垂直于速度方向的叫正沖波，傾斜一個(gè)角度的叫斜沖波，斜沖波強(qiáng)度小一些，物體受的阻力也小一些。所以星際飛船的前端必須做成針狀，翼與尾舵都必須要尖削，有如刀刃般鋒利。

比音速快5倍以上(M>5)的飛行，叫高超音速飛行，現(xiàn)代火箭的M數(shù)一般可達(dá)7，蘇聯(lián)第一個(gè)宇宙火箭，速度達(dá)到每秒11.2公里。如果將來的星際飛船以原子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，速度可達(dá)每秒30公里，用離子火箭作動(dòng)力，速度可達(dá)每秒100公里，用光子發(fā)動(dòng)機(jī)，速度可達(dá)每秒30萬公里。這樣高的速度飛行，空氣已不能再認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)，而是一顆一顆的彈丸般的打在飛船上。另一方面，飛船的殼體受到強(qiáng)烈地加熱，飛船會(huì)因此發(fā)生變形、翹曲，強(qiáng)度降低，甚至赤熱、白熾或熔化?？諝庠谶@種高溫下，也不能保持原來的狀態(tài)，而離解成離子了。這時(shí)候，顯然普通的超音速空氣動(dòng)力學(xué)理論已不能再用了。解決耐高熱的材料和冷卻問題，是治金家和工藝師的任務(wù)。而尋找合理的空氣動(dòng)力外形，研究稀薄空氣動(dòng)力學(xué)、電磁流體力學(xué)、與星際航行有關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)，則是空氣動(dòng)力學(xué)者們義不容辭的任務(wù)了。

隕星的空氣動(dòng)力性能研究

在自然界里，超音速氣流是稀有的，高超音速運(yùn)動(dòng)的物體也同樣少見。然而人們?cè)谙囊估锝?jīng)?？吹降牧餍?，卻是一種天然的、速度極大的物質(zhì)，它的飛行M數(shù)達(dá)到20～100。當(dāng)它以這樣大的速度進(jìn)入大氣層的時(shí)候，被空氣摩擦迅速加熱而焚毀，拖著一條明亮的氣體光焰，劃破黑暗的夜空。

未來的星際飛行，差不多要以隕星的速度飛行?，F(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中所能得到的最高M(jìn)數(shù)為20。要再提高，困難很多。而隕星是天然的高超音速運(yùn)動(dòng)物，因此空氣動(dòng)力學(xué)家們就不能只限于在風(fēng)洞中作實(shí)驗(yàn)，而且要作一個(gè)天文學(xué)家，或者和天文學(xué)家通力合作，以觀測(cè)和研究隕星的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)獲得足夠的資料和結(jié)論之后，可以在特別的風(fēng)洞中來模擬隕星的運(yùn)動(dòng)，并為飛船提出方案。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每小時(shí)大約有二萬個(gè)隕星落入大氣層，其重量達(dá)幾百噸，大大小小，各色各樣的都有，相當(dāng)于各種模型在大氣中運(yùn)動(dòng)一般。只因?yàn)樗鼈兯俣忍?，絕大多數(shù)都在80公里的高空燒毀了，有幸落入地面的不多。

可見柔軟的大氣，對(duì)于極高速度運(yùn)動(dòng)的隕星或飛船來說，有如一層裝甲。正因?yàn)槿绱?，生活在大氣底層的人，才免于遭到這些天外炸彈的轟擊。也正為此，卻給人類的宇宙飛行帶來了麻煩。

星際飛船的著陸

星際飛船，在起飛的時(shí)候，速度是逐漸增加的，氣動(dòng)力加熱還不太嚴(yán)重。但返回地球時(shí)，加熱特別嚴(yán)重。載人的宇宙飛船是不能讓其燒毀的，為此必須減低它的飛行速度，其方法可采用空氣動(dòng)力剎車，借空氣阻力，將飛船速度減少；或者采用由耐火板材作成的降落傘；或者在飛船上裝以活動(dòng)的機(jī)翼，在正常飛行時(shí)將其收攏，著陸時(shí)張開它，并使它所產(chǎn)生的升力正對(duì)地心，圍繞地球作螺旋式的滑翔，待速度很低之后再著陸。

關(guān)于星際飛船的起飛著陸的研究，不僅適用于地球，也適用于別的有氣體的星球如火星、金星等。即使沒有氣體的星球，如月球，也可用氣動(dòng)力剎車的方法。因?yàn)?，可用人工方法來造成氣體。