會(huì)“出汗”的超聲速飛行器

陳瑋瑋

高速飛行的飛行器，在飛行過(guò)程中會(huì)與空氣劇烈摩擦，帶來(lái)上千攝氏度的高溫，這樣的溫度可以熔化或損壞飛行器。

人類通過(guò)皮膚出汗，可以帶走身體多余熱量，來(lái)維持體溫恒定。那么，能否讓飛行器模仿人體“出汗”，來(lái)解決高溫難題呢？會(huì)“出汗”的超聲速飛行器，能經(jīng)受住高溫的“烤”驗(yàn)嗎？

極速飛行要翻越的兩座“大山”

聲障

自飛行器誕生以來(lái)，人們對(duì)飛行速度的追求從未停止。當(dāng)飛行器的速度達(dá)到或者超過(guò)聲速時(shí)（空氣中的聲速在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15攝氏度條件下為340米/秒），其前方的空氣被一層一層地壓縮成一堵密度很高的“空氣墻”，形成激波（又稱沖擊波）。這使飛行器阻力急劇增大，速度衰減并劇烈振蕩，出現(xiàn)聲障。

沖破聲障

飛行器要想突破聲障，必須耗費(fèi)成倍的能量。工程師需要重新設(shè)計(jì)飛行器的氣動(dòng)布局，以減小阻力；機(jī)身所使用的材料，也必須更加結(jié)實(shí)，而且能耐受一定的高溫，否則飛行器結(jié)構(gòu)就可能遭到損壞。

熱障

摩擦生熱

隨著飛行器外形的改進(jìn)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，突破聲障早已不是難題。然而，當(dāng)飛行器以如此快的速度飛行時(shí)，周圍的高速氣流會(huì)與飛行器發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，飛行器表面的空氣溫度會(huì)急劇上升，產(chǎn)生“氣動(dòng)熱”。

隨著飛行器飛行速度和飛行時(shí)間的大幅提高，“氣動(dòng)熱”在極端條件下引起的高溫、高熱流，會(huì)大大超過(guò)材料耐溫極限，同時(shí)也會(huì)引起飛行器內(nèi)部溫度升高，使艙內(nèi)工作環(huán)境惡化。

呈指數(shù)增長(zhǎng)的溫度

當(dāng)飛行器速度達(dá)到3倍聲速時(shí)，其前端的溫度可達(dá)330攝氏度；當(dāng)速度達(dá)到8倍聲速時(shí)，飛行器表面的溫度則會(huì)升至上千攝氏度，這超過(guò)了絕大多數(shù)材料的耐受溫度。

這種隨速度呈指數(shù)增長(zhǎng)的“氣動(dòng)熱”，足以將飛行器燒毀，即出現(xiàn)熱障。如何高效散熱、突破熱障，是當(dāng)前超聲速飛行器要翻越的另一座“大山”。

樹木的蒸騰作用示意圖

源自大自然的降溫智慧

植物的蒸騰作用

大自然蘊(yùn)含著無(wú)窮的智慧。很早之前人們就知道，在酷暑時(shí)節(jié)，“大樹底下好乘涼”——樹葉能遮住陽(yáng)光，樹下通風(fēng)好，樹葉里的水分蒸發(fā)要吸收熱量，使周圍的空氣溫度降低。

如下圖所示，樹根從土壤中吸收水分，通過(guò)根、莖、枝內(nèi)極細(xì)的導(dǎo)管向上輸送水分；最后，水分達(dá)到樹葉并以水蒸氣的形式排入大氣。這個(gè)無(wú)聲的過(guò)程被稱為蒸騰作用。

當(dāng)陽(yáng)光照射到葉片上時(shí)，大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，如果溫度過(guò)高，葉片會(huì)被灼傷。但是，在蒸騰過(guò)程中，水變?yōu)樗魵鈺r(shí)會(huì)吸收熱能，使葉片表面的溫度降低。這樣，即使葉子在強(qiáng)光下進(jìn)行光合作用，也不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而受到損害。

人體的蒸發(fā)散熱

植物通過(guò)蒸騰作用來(lái)降溫的智慧，同樣在人體散熱上有類似的體現(xiàn)。那么，人體是如何維持體溫恒定的呢？

嘗試在手背上滴一小滴水，用嘴對(duì)著水滴吹氣，滴水處會(huì)逐漸感到?jīng)鏊@就是蒸發(fā)散熱。

如果劇烈運(yùn)動(dòng)或其他原因使體溫升高，血液流經(jīng)肌肉和組織，會(huì)把多余的熱量帶到皮膚表面，刺激皮膚上的汗腺產(chǎn)生汗液；汗液通過(guò)皮膚上的微小毛孔逸出，到達(dá)皮膚表面就蒸發(fā)了；熱量隨著汗液的蒸發(fā)被帶走，皮膚溫度降低，體溫就可以維持恒定了。

人體通過(guò)出汗散熱，維持體溫恒定（繪圖/閆麗芹）

飛行器也能“出汗”降溫？

植物通過(guò)蒸騰作用降溫，人體通過(guò)皮膚出汗帶走多余熱量，那么，能否讓飛行器模仿植物的蒸騰作用和人體的出汗，來(lái)緩解“氣動(dòng)熱”帶來(lái)的高溫難題呢？答案是肯定的！

給飛行器“發(fā)發(fā)汗”

研究人員在飛行器的高溫部位，嵌入形狀類似汗腺的微小通道網(wǎng)絡(luò)；利用壓力泵將飛行器自身攜帶的冷卻劑注入高溫?zé)釟饬鲀?nèi)；制冷劑在從多孔防護(hù)層流向飛行器表面的過(guò)程中，可以連續(xù)吸熱，從而阻斷“氣動(dòng)熱”對(duì)飛行器表面的熱侵蝕，并形成有保護(hù)作用的氣膜層。這樣可以弱化飛行器壁面與高溫主流流體的直接換熱，使飛行器表面的溫度得到有效控制。這種冷卻方法就是航空航天領(lǐng)域常用的發(fā)汗冷卻。

?發(fā)汗冷卻的工作原理（繪圖/閆麗芹）

優(yōu)勢(shì)明顯的冷卻方式

可重復(fù)使用且防熱效率高是發(fā)汗冷卻顯著的優(yōu)勢(shì)。從理論上講，只要系統(tǒng)提供足夠的冷卻劑，發(fā)汗冷卻系統(tǒng)就可使飽受“烤”驗(yàn)的飛行器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作。當(dāng)飛行器的制冷劑耗盡后，只需重新補(bǔ)充制冷劑便可再次對(duì)飛行器進(jìn)行冷卻。

根據(jù)這些優(yōu)點(diǎn)，發(fā)汗冷卻可用于飛行器的頭錐、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管（使氣流降壓增速的管道）喉部、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等高熱流部位的溫度控制。

燃燒室位置示意圖

?發(fā)汗冷卻應(yīng)用于頭錐（繪圖/張玲）

發(fā)汗冷卻應(yīng)用于燃燒室（繪圖/閆麗芹）

植物蒸騰作用和人體蒸發(fā)散熱，啟發(fā)研究人員設(shè)計(jì)了能“出汗”的超聲速飛行器。大自然是一個(gè)充滿智慧的世界，它是一本無(wú)盡的教科書，為我們提供了無(wú)數(shù)的生活啟示。希望讀者朋友們能從大自然中汲取養(yǎng)分，讓它指引大家的成長(zhǎng)之路！

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）