“虽然现在还没有高超音速飞机在天空飞行，但是，我相信随着技术的不断进步，我们一定会距离高超音速越来越近。”

崔凯

中国科学院力学研究所研究员

今天的话题主要围绕速度展开。先问一个小问题，从我们目前所处的这个剧场出发，随便选一个方向，中间不停歇，谁能告诉我，能走到哪里？你会发现无论怎么走还在海淀，这是因为人的步行速度大概4—5千米每小时，所以两个半小时大概可以走到海淀区这样一个范围内。如果我们想再快一点可以坐汽车，两个半小时可以到天津或者承德。如果再快一点还有高铁，两个半小时可以到济南或者泰山。再快的话就是飞机了，两个半小时差不多可以飞千米，可以到武汉、长沙。除了火箭、宇宙飞船这些一次性的工具，还有再快的吗？非常遗憾，没有了。如果我们用两个半到三个小时从北京飞到纽约，大概距离是一万多千米，现在我们还做不到。但是，将来能不能做到？如果能做到的话，我们要研究什么样的技术去实现？这就是我下面要跟大家分享的高超音速旅行。在航空航天领域，我们有一个专用的度量速度的名词就是马赫数，它是指飞行速度和声音传播速度的比值。一个马赫数代表一倍的音速，如果按照音速来度量，现在的飞机可以分为亚音速、跨音速、超音速几类。目前我们常见的飞机就是跨音速飞机，它的飞行速度比声音的传播速度要低。历史上最快的运营的飞机叫作协和式飞机，可以达到2倍的音速以上，是真正载人的飞机。两倍音速就是大概一秒钟可以飞六七百米，非常快。但是我们觉得它还不够快，我们还要更快，一旦飞行速度达到5倍音速以上的时候，我们就叫作高超音速飞行。当然以这么快速度飞行的飞机，我们自然就叫高超音速飞机了。高超音速这个名词是由中国人提出来的，我国最著名的科学家钱学森先生于年就提出来了。飞机为什么能飞起来我们看一下一架飞机是怎么飞起来的。大家都玩过氢气球，手一松就飞起来了。因为氢气比空气轻，这种原理叫作浮力原理，所以这种飞行器叫作浮空器。我手上有一个纸飞机，我现在如果松手，它会飞起来吗？不会。为什么我要用纸飞机来扔一下呢？因为实际上我们知道一架飞机在天空中无论情况多么复杂，它飞得多么快，除了没有动力以外，它和纸飞机是一样的原理。一架飞机在天空飞的时候会有重力，发动机会有推力，除了这两个力以外，剩下的两个力都是由飞机和空气的相互作用引起的，一个是升力，就是让它不掉下来，把它托起来的力;还有一个是阻力，就是空气给它一个和推力相反方向的力。所以，无论这个飞机多么复杂，它的基本受力就是四个。再看一下一架飞机由哪些部分组成。我这里做了一个类比，把飞机比喻成一个人，人类要有心脏，飞机要有发动机，人类（我）能站在这儿是因为有骨骼，飞机要有相应的结构系统。飞机还要有一套飞行控制系统，相当于人类的大脑和神经。我们有血液，我们要吃饭、喝水，飞机要有燃料。那么，除了这些以外，飞机一定要有一个好的外形才能飞起来。还是纸飞机这个例子，我折成纸飞机，轻轻一抛，可以飞得比较远，如果折成一个纸团轻轻一抛，会发现它很快就会掉下来。所以，你们知道外形有多么重要了吧。从外形来看，一架飞机基本上可以分为机体和机翼两个部分。我们坐飞机的时候是坐在机体里面，它的作用就是承载人员和货物。两侧的翅膀是机翼，机翼对飞机来说非常重要，它的主要作用就是产生升力。在一架飞机的设计过程里，对于机翼的设计可能要经过成千上万次的计算机模拟以及风洞实验。关于机翼我想再给大家介绍两个很有趣的小知识。你们在坐飞机的时候有没有观察过在机翼的内侧有两道可以伸出来的东西，这个叫襟翼。仔细观察可以发现，在飞机起飞和降落的时候它会伸出来，正常飞行的时候又会缩回去。这是因为在起飞和降落的时候，飞机飞行的速度比较低，因此需要机翼的面积大一些，所以它要伸出来。而正常飞行的时候，如果机翼面积太大，阻力也会很大，飞机会很耗油，因此要把它缩回去。还有，大家坐飞机的时候可以观察一下机翼的翼尖，你会发现有的翼尖会向上弯一下，有的会有一道小鳍，像鲨鱼的鱼鳍一样，叫做翼尖小翼，它也是有空气动力学原理来支撑的，因为如果没有翼尖小翼，飞机在飞行的时候，它的翼尖会卷起非常强烈的漩涡，这个漩涡会导致机翼的阻力大幅增加，而有了这个小翼以后，漩涡不会消失，但是会明显减弱，这样整个飞机的阻力就会明显减小。大家不要小看这个小翼。空中客车的飞机，用了这个小翼技术以后，它的整个阻力大概可以减小4％，它一年的二氧化碳的排放量可以减少吨，相当于辆家用小轿车一年的排放量。目前这些有关机翼的技术，主要是基于现有的飞机，就是跨音速飞机，它还没有达到音速的范围。协和式飞机历史上最快的飞机是协和式飞机，可以达到2倍的音速以上，是由英国和法国联合研制的。我们可以看到，这个飞机和我们现有的飞机差别很大，它有一个细长的机身，还有两侧像大三角形一样的机翼，这是因为一旦飞行速度超过声音传播的速度以后，它的阻力会大幅增加。因此，空气动力学家研究发现，采用这样的外形可以很好地减少阻力，因此，协和式飞机就采用这样的外形了。但是，这样的外形也有问题，因为它的机身特别细长，所以装载量很小。现在的大飞机可以装到人，最多可以达到人以上，但是协和式飞机最大的载客量是人，正常运营一般就是人。还有一点，采用这样的外形，它在正常飞行的时候，也就是高速飞行的时候，它的阻力可以减小，但是还是刚才那个问题，在起飞和降落的时候它很难产生有效的升力。这个问题只能通过发动机来解决，也就是说，飞机在起飞和降落的时候拼命加油门，让发动机的推力增长，这样利用推力的一部分分量去平衡自身的重力，才能让它缓缓地起飞或者降落。但是这样带来一些新的问题，它在起飞和降落的时候噪声非常大，像我们开汽车时猛踩油门会发出嗡嗡的声音一样。这样一来，燃油的消耗特别大。所以，这些都是外形所导致的问题，但是遗憾的是，当时并没有很好的办法可以解决。有关协和式飞机，我再给大家介绍一个特别有意思的小知识。刚才我提到协和式飞机采用了细长尖尖的机身和机头，如果飞行员驾驶飞机正常飞行的时候没有问题，因为他只需要往前看，但是在起飞和降落的时候，这个细长尖尖的机头会干扰驾驶员的视线，让他的视野变得很差，这就有可能导致安全事故。因此，设计师们提出一个非常巧妙的办法，就是让协和式飞机的机头变成可的，在飞机起飞和降落的时候，我们可以看到这个机头向下可以弯一定的角度，大概是5—12度，而正常起飞的时候，它又恢复到正常状态，这样在起降的时候，可以给飞行员提供很好的视野，而在正常飞行的时候，又可以减小阻力，所以这是一个非常酷的设计，可以类比我们在动画片里看到的变形金刚。但是非常遗憾，因为刚才前面提到的燃油和装载量问题，协和式飞机现在已经正式退出了历史舞台。3年11月26日，它完成最后一次飞行以后，就正式退役了，现在可以在美国或者英国的博物馆里看到它的真实外形。尽管如此，人类从来没有停止过对于速度的追求。新的高超音速飞行器大概最近的二三十年时间里，高超音速这样一种新的飞行器已经开始进入我们的视野，它会飞得非常快，但是它的实现难度非常大，需要我们特别努力。举几个例子。第一，飞机一定要有发动机，但是我们现在的发动机在高超音速条件下是没有办法产生有效推力的。现在有一种叫作超燃冲压发动机的方案正在往前推进，而且现在已经得到了本质性的突破，甚至已经经过了飞行实验，虽然距离实际应用还有一段路要走，但是我们已经看到了高超音速的曙光。第二，当飞机以高超音速在空气中飞行的时候，它会和周围的空气分子猛烈地撞击、摩擦，产生大量的热量，就像我们搓手，手会发热一样，摩擦会生热。但是，对于飞机而言，发热不是一件好事，这些热量没地方去散，只能加在飞机上面，随着飞行速度提高，飞机表面温度可能会达到几百度、上千度、甚至几千度，这时我们现有的飞机材料会熔化。现在虽然已经有材料可以抵抗这种高温了，但是价格非常昂贵，可靠性也有待于进一步提高。所以，我们还需要做很多工作。第三，外形。从图中，我们可以看到跨音速、超音速等飞机的外形。从跨音速到超音速，飞机的外形会有很大变化。如果到了5倍音速以上的速度的时候，飞机应该用什么样的外形呢？现在我们还不知道，我给大家看两个动画，我想说明在高超音速条件下我们会碰到什么样的问题。1.高超音速飞行的时候，飞机会和周围空气分子强烈作用，会导致阻力的急剧增加，就像骑自行车，速度越快，肯定风阻越大。高超音速飞机的原理不一样，但是感觉差不多，而且更加明显和剧烈。2.我们希望飞机装得多一些，运载量大一些，一次装人、人、人，如果要装得多，飞机一定会变“胖”，就像我们变胖会有很多问题一样，一旦飞机变“胖”以后，它也会产生很多新的问题。在空气动力学方面最大的问题是什么呢？一旦变“胖”以后，会在飞机的背面产生一道十分讨厌的干扰气流，这道气流会使得飞行器的升力降低，阻力增加。所以，该怎么解决呢？其实现在的办法很简单，比如美国的波音公司、赫尔墨斯公司，他们有自己的方案或者策略，要想避免飞机背部出现这样一道高压气流，他们就把飞机做得扁平一些，这样会把有害气流的干扰尽量减弱，但是结果付出的代价就是容积率或者容积的大幅降低，这样的飞机将来只能坐十几个人或者二十几个人，所以只有大富豪才可以坐得起。

波音公司设想方案（图片来源：波音公司）

美国Hermeus公司设想方案（图片来源：美国Hermeus公司）但是，我们希望将来这种飞机能够装更多人，这时候该怎么办？我差不多用了十年的时间研究这个问题。差不多在十年前，我有这样一个想法，一旦容积增加以后，在飞机背部会产生一道有害的高压气流。现在的做法是把它的容积减小，压扁它，去减弱这道气流，那我想能不能反过来想，通过增加一个额外的部件，把这部分有害的气流利用起来，相当于垃圾回收或者变废为宝。带着这样一个思路，同学们可以看一下中间这张动图，我用一道锥来模拟真实飞机的机体，我在上面加了一个蓝色的方板，来模拟另外增加的这样一个机翼。这张图是用计算机模拟得到的结果，我们可以看到在这个板的中间有一块红色的区域，这个红色的区域就是一个非常高的高压气流区，也就是说，有了它以后，整个飞机的升力就会有大幅提高。这件事情我们在过去的十年里做了大量的理论分析，做了大量的计算机模拟，我们还在绵阳的中国空气动力学研究与发展中心（亚洲最大的风洞群）做了几轮风洞实验，把模型放到风洞里，用一股几倍音速的气流吹下去，我们在侧边开一个窗口，然后通过一套特殊的纹影设备把气流留经这个模型的真实情况拍下来。所有一切都表明我们增加这个机翼以后很有效，效果也很好。所以，差不多经过八年左右的时间，在去年2月份，我带着我的研究生们发表了一篇文章，这篇文章提出了一种全新的、我们自己提出来的高超音速飞机的外形，而且它的性能指标在某种程度上可以说达到了世界最好。我们还给出这样几个未来飞机可能采用的外形的设想图片，它将来可能会这样，也可能不会这样，但至少我们在做我们自己的工作。就像刚才最开始提到的那样，我们对于高超音速飞行还有大量的问题需要解决，包括动力的问题、材料的问题、结构的问题。我们的工作更多的是偏向于高超音速飞机的外形设计，我们的基础理论是空气动力学，涉及理论和基础性研究，但是我想我们已经迈出了非常坚实的一步，而且对于未来来讲，也有可能是比较关键的一步。虽然现在还没有高超音速飞机在天空飞行，但是，我相信随着技术的不断进步，我们一定会距离高超音速越来越近。同时，一定也会有其他的新问题出来，比如会有新的噪声问题。再比如，这种飞机将来会比现有飞机的飞行高度高15—20千米，达到海拔30千米左右，可能会有新的大气污染现象等。不过我相信，即便有，只要我们努力也会得到解决。为什么？因为速度是我们人类永恒的追求。（部分图片来源于网络）

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