跨越升限的障礙

劉大偉

（河南 許昌 461141）

第五代戰(zhàn)機以“能力隱形、超音速巡航、超機動性、短距起飛”的姿態(tài)出現(xiàn)在世人面前，在世界上少有為數(shù)不多的國家能夠研發(fā)這種4S戰(zhàn)機時，有些軍事強國國家開始坐不住了，為了爭奪將來的制空權(quán)開始準(zhǔn)備研發(fā)4S能力之后的下一代戰(zhàn)機。如今將戰(zhàn)機開發(fā)到 “能力隱形、超音速巡航、超機動性、短距起飛”的4S，已經(jīng)是相當(dāng)完美的設(shè)計和技術(shù)結(jié)晶。但是現(xiàn)在的飛機包括戰(zhàn)機和民航客機都有一個共同的缺點，就是不能夠超越自身在大氣層某一高度升限的限制，一旦越過自身升限高度，飛機就失去控制開始顛簸。下一代戰(zhàn)機的設(shè)計和技術(shù)結(jié)晶的特色應(yīng)該是解決以前飛機在設(shè)計上遺留下的問題：不僅具有融合第五代戰(zhàn)機設(shè)計的4S功能，可以不受升限限制的在大氣層飛行，如果像火箭那樣既帶燃料又帶有氧氣，則可以自由出入太空，能夠跨越升限障礙遇到的顛簸問題。

在美國佬開發(fā)出航天飛機后，就沾沾自喜的認(rèn)為是個跨時代的進(jìn)步，航天飛機解決了宇宙飛船不能重復(fù)利用的問題，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，兩者相比沒有太大的區(qū)別，都是用火箭送到太空的，每做一次飛行之旅都要相同的準(zhǔn)備，并不是自己升空的。在航天飛機返回大氣層時必須控制好進(jìn)入的角度，角度的大小對進(jìn)入大氣層時與空氣的接觸對航天飛機有太大的影響，恰好的角度可以最低限度的減少對空氣的摩擦力產(chǎn)生的兩種結(jié)果，一是不至于使機身過于熱，二也不至于使航天飛機在高空中顛簸得過于厲害。還有新開發(fā)的X-37B可以多次使用的太空飛行器，與航天飛機相比也沒有新奇之處，也是靠火箭的力量進(jìn)入太空的飛行器，并不是自己直接進(jìn)入太空的，至于在返回大氣層期間是否遇見顛簸的老問題，現(xiàn)在還不可知，因為還沒做載人飛行試驗。像這些依靠火箭做動力進(jìn)入太空的飛行器，也可稱為載入式太空飛行器。

現(xiàn)在的4S戰(zhàn)機，雖然達(dá)到了人們的期望，可以“能力隱形、超音速巡航、超機動性、短距起飛”，卻沒有解決飛機與生俱來的老問題，在大氣層中的升限問題，就是當(dāng)飛機在空氣中升到一定的高度時，機身開始顛簸，保持不了平衡，跨越不了升限的障礙。

4S之后的飛機在設(shè)計上，不僅有以“能力隱形、超音速巡航、超機動性、短距起飛”的功效，而且能夠跨越升限的障礙。有趣的是，現(xiàn)在的飛機在跨越升限時，機身開始顛簸，像在空中做壓蹺蹺板保持不了平衡，但卻不會出現(xiàn)左右的擺動，表明在目前在飛機的機身設(shè)計上做的還不夠完美。

克服飛機在跨越升限時的顛簸卻不會出現(xiàn)左右的擺動這個問題，需要從飛機設(shè)計的幾何外形分析，飛機的幾何圖形在圖形上僅有一個縱切面，一個縱切面把飛機分為兩個外形完全像同的兩部分，無論高度如何的改變，兩部分的受力是完全相同的。因此要設(shè)計出能夠跨越升限障礙飛機，在幾何的外形設(shè)計上，不僅有一個縱切面，還要有一個橫切面和一個水平切面，一個橫切面是把飛機有頭和尾的幾何對稱，一個水平切面是把整個飛機有一個上半體和下半體的幾何對稱，具有三個幾何對稱面的飛機，在任何的高度都不會出現(xiàn)受力的不平衡。

現(xiàn)在的戰(zhàn)機在幾何設(shè)計上，頭部具有一個縱切面和一個水平切面，頭之后的不分在幾何上就像是有一個縱切面、卻沒有一個水平切面，在設(shè)計上屬于幾何的失衡。

現(xiàn)在的戰(zhàn)機在設(shè)計上，并非是在幾何對稱上的平衡。在越過大氣層某一高度時，出現(xiàn)的不平衡表現(xiàn)的是重量失衡。如在地平面質(zhì)量上完全相等的實心鋼球何銅球，由于兩者的密度不相同，兩個球的體積也不相同，在離開地平面達(dá)到某一高度時，兩個球的質(zhì)量開始出現(xiàn)差別。同樣道理鳥體形的戰(zhàn)機，在達(dá)到大氣層的某一高度上限后，出現(xiàn)質(zhì)量的失衡，而原有的體積并沒有改變。在飛行的過程中受氣流差異的作用，產(chǎn)生上下的顛簸，在飛機飛過某一高度時，受到大氣壓的作用減少，飛機的質(zhì)量在幾何上因體積沒有變，而受到大氣壓減少，隨之體積部分相對大的增加的重量相對大些，體積相對小的部分增加重量相對小些，而飛機原有接觸空氣的面積并沒有改變。在這相對重力改變的條件下，飛機在空氣中受到的力度，也會發(fā)生相應(yīng)的改變，以飛機的機翼為機身的重量分界，在越過升限后機身會因此發(fā)生頭和尾因質(zhì)量的改變失去原有的平衡產(chǎn)生傾斜，機身產(chǎn)生傾斜后尾翼與空氣產(chǎn)生的上浮摩擦力減少重新改變了尾部的重力，由于缺乏一個橫切面和一個水平切面的幾何對稱，而機頭受到的空氣托力與尾部剛好相反，在機身前后上下維持受力平衡的擺動后，原來相對于機身平穩(wěn)的氣流，此時像起伏的波浪。而機身沒有受到左右的搖晃，是因為飛機有縱切面幾何對稱，不會因受到高度的改變而發(fā)生重量的改變不相同，左右的幾何對稱沒有因高度的改變而產(chǎn)生的因重量改變不相同，產(chǎn)生受力的不平衡。兩翼成了飛機在空中壓蹺蹺板的支點。

在飛機的幾何外形設(shè)計上解決了超出升限遇到的機身顛簸問題，飛機就能夠跨越升限的障礙。