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天外流星：高速飞行器 原创：小学僧 日期：2019-03-18 先吐俩槽，以正俩视听。 第一槽献给美国科幻电影《地心引力》，故事大概如下：毛子击毁一颗废弃卫星，产生的碎片击毁了所有卫星和空间站，并弄死了炮灰男主角，女主角被迫流浪太空，然后辗转到了中国空间站，最终逃回地球，收获多项奥斯卡大奖。 本僧觉着，导演肯定以为太空和他家院子一样大，随便一跺脚，溅起的石子能把院子里所有蚊子给灭了，女主角从哈勃望远镜到国际空间站再到天宫空间站，像是在村里串门一样方便。  蹭下热点。《流浪地球》确有不少科学硬伤，较真的观众当然可以吐槽，这是科学问题。但在吐槽的同时，非要夸几句美国《星际穿越》《火星救援》《地心引力》科学严谨，那就是立场问题了。中美的电影工业、电影文化、甚至电影明星，差距颇大，下次吐槽记得选个好下手的地方哟。 蹭完热点，第二槽送给湾湾媒体，每次大陆航空母舰稍有进展，湾媒就一片呜呼哀哉，各种兵棋推演手忙脚乱。 来，咱也兵棋推演一下：在130公里宽的台湾海峡里，摆上3艘航母，然后是福建机场的战机趴窝看着航母上起飞的J15？还是福建起飞的战机先到航母歇个脚再飞去对岸？作战半径超过1000公里的战机，为啥要用航母才能飞越130公里的台湾海峡？ 难道，是为了对付协防湾湾的美帝航母？谁规定对付航母一定要用航母了！岸上一堆飞机不用，非要用航母上的飞机？兔子玩命发展东风21东风26，你以为是玩呢？用航母斗航母，那是美帝天天烧香盼着的事儿，兔子决计不会作陪。  总结两点：第一，太空很大，比亚欧美非洲加起来还要大上万倍；第二，武器是用来打仗的，不是用来比赛的。要说超高速飞行器，离不开这两点。 一、人类能飞多快 飞机速度为啥用“马赫”表示？马赫就是音速的意思，多少马赫就是多少倍音速。 在空气稀薄的万米高空，音速是295m/s，1马赫就是295m/s；在空气稠密的低空，音速是340m/s，1马赫就是340m/s；在没有空气的太空，声音无法传播，所以不能用马赫表示速度。 为啥算个速度要这么折腾？咱试着用几句话说明白：飞机会产生很大的声音；声音传播的本质是空气分子的振动波；声源速度等于声波速度，波峰波谷就会无限叠加；空气就被压缩，压力骤增；空气中的水蒸气被液化成小水滴，也就是白雾，并产生音爆；超音速的瞬间，飞行器像是撞到了一堵用高密度空气筑成的墙上，这种由声波导致空气压缩产生的阻力，学名激波阻力。  激波阻力骤增骤降，很考验飞行器的技术含量，而音速不是一个固定值，因此用马赫来表示大气层内飞行器的速度也就顺理成章了。  此外还有因空气摩擦产生的飞行阻力，这股力与空气密度成正比，与速度平方成正比，即，速度加一倍，阻力变四倍。 被这哥俩一闹腾，出大事了！如果全程都在稠密大气层内飞行，无论导弹还是飞机，超过5马赫就算半仙了！即便撑到了5马赫，也是拿油往发动机里灌出来的，持续5分钟就是真仙了！ 5马赫，差不多是大气层内低空飞行器的极限，因此，用大气层内武器去拦截5马赫以上的机动目标，主要取决于祖坟是否冒青烟。 空气真不是个好东西！于是，人们就把主意打到了外太空。 二、太空，不是想飞就能飞 “太空没有重力，轻轻一推就能飞很远？” 大多小盆友一直认为太空没有重力，这让九年义务教育外加三年高中情何以堪！ 太空只是没有空气而已，近地轨道的重力和地面差不了多少。失重不是失去重力的意思，而是指飞行器绕地球转圈产生的离心力与地球引力相等，这应该不难理解，我保证高中的你一定知道。 实际上，所谓的太空飞行，纯粹是靠惯性在天上飘着，路线都是死死的。眼下是不可能在太空实现自由翱翔的，因为这需要海量燃料，多到根本飞不起来。光是把飞行器加速到7.9km/s，几十吨燃料就没了，想在太空掉个头，就只能请佛祖帮忙了。 举个例子。在大气层内飞行，只要动动机翼，就能来个直角转弯。太空的直角拐弯怎么做呢？飞行器要开启反向发动机，把竖直方向的速度从7.9km/s降到0，与此同时开启横向发动机，把横向速度从0加速到7.9km/s。速度慢一点不行吗？当然可以，但是底下还得开个发动机托着，不然绕圈离心力不足以抵消地球引力，飞行器就会掉下来。 再把这中学知识给那些大学毕业生强调一遍：在太空是没法悬停的，你能做的只有飞速绕地球转圈，让离心力去抵消重力。 速度固然可以飙很快，可一旦想转弯或减速，你还是会怀念空气的。 
电影里的太空战基本是二战时的空战三、鱼与熊掌兼得 对于飞行器来讲，赶路的时候最好没有空气，滞空或拐弯的时候最好有空气。妥了，只有大气层边缘才能这么玩，学名临近空间飞行器，简称临空飞行器，因为这货速度通常超过5马赫，所以也可以叫超高速飞行器。 这有啥好处呢？标题党老拿速度说事，这仅仅是速度的事儿吗？   超高速飞行很稀罕吗？洲际导弹几十马赫它骄傲了吗！临空飞行了不起吗？一枚低配版火箭就可以太空旅游了知道吗！无论按速度还是按高度算，高速飞行器拍马也追不上弹道导弹。 这肯定不妥，是哪里不对劲呢？ 如果不懂点中段反导的常识，就不明白高速飞行器的意义。简单总结下前文《反导篇》的内容： 洲际导弹可以看成一门大号火炮，加速弹头就几分钟而已，剩下80%的时间，弹头是处于无动力滑行状态，最后靠自由落体砸向目标。 反导拦截弹也是一门大号火炮，同样无法在太空自由翱翔，到了太空也是靠惯性飘过去，末端轨道修正能力不会超过十公里。 如果不是提前约好地点，两门大炮想在太空相遇，这缘分怕是八辈子都修不来。所以，反导的前提是计算来袭弹头的轨道，能计算轨道的前提是弹头必须无动力滑行，这就是中段反导的基本原理。 
相撞时，两者都是无动力滑行状态弹头若是这么傻傻飘过去，被拦截的概率还是不小的，后来洲际导弹就动了很多脑筋，变轨啊、诱饵弹啊、制冷啊、铝箔干扰啊……总之，两者在中段飞行时的较量是非常激烈的。 可是，弹头一旦重返大气层，就基本无解了。大气层内的拦截弹撑死5马赫，十几马赫的弹头稍微拐个弯，拦截弹马上甩没影，几秒钟后，茶叶蛋就送家门口了。 有个疑问，拦截可以迎头碰撞，为啥还要比谁速度快？举个例子，来袭弹头10马赫，拦截弹4马赫，两者相距5公里，约1秒后相撞。此时弹头来个末端机动，横向移个十几米，你4马赫的小短腿跟得上不？ 所以大气层内的防空主要针对低速目标，诸如飞机、巡航导弹之类，对付洲际导弹，和徒手接子弹的难度差不多。  看到这，能不能悟出点啥？如果弹头能够跨过中段飞行，直接进入末端，带着10马赫的淫威重返大气层，面对不到5马赫的拦截弹，此时响起的背景音乐肯定是：无敌是多么……多么寂寞…… 四、新物种诞生 咱们用数字说得明白一点。 假设，在2000公里外、50公里高的大气层边缘，发现一架高速飞行器以10马赫速度飘过来，该怎么办？ 首先，发射一颗足够射程的中段反导拦截弹！前面说了，中段反导是一门大号火炮，这家伙助推完成大约只飞出一两百公里，剩下的一千多公里靠惯性飘过去。拦截弹为了飙速度赶时间，也为了拦截瞬间的灵活性，不可能带很多燃料，因此变轨距离非常有限。 早些年，被誉为黑科技的美帝“标准3”中段反导拦截弹，末端变轨能力也才3千米出头，也就是说，这枚拦截弹飘到一千多公里外，与目标的偏差不能超过3千米。3千米啊，这点距离在太空算啥！高速飞行器的方向盘抖一抖，就能轻松甩开这3千米！  若中段拦截失败，等高速飞行器近了，再发射末端高空拦截弹，比如萨德！萨德从地面往上飞，不爬到几十公里高，速度是上不来的，而高速飞行器居高临下，两者极限速度又差不多，绕个圈，把萨德燃料耗完，事情也就了了。飞到目标区域后，以10马赫的速度丢下弹头，然后返航。  到最后弹头飞下来，用近防炮、密集阵拦截，只是图个心理安慰！这些玩意儿的射程大约2~3千米，对弹头来说，不到1秒就飞完了，何况，茶叶蛋一般在空中引爆，留给近防炮的时间不会超过0.5秒，肯定是指望不上的。哦，对了，近防炮的炮弹初速度一般在3马赫左右。  导弹的速度+飞机的机动性，无论是去扔炸药，还是送茶叶蛋，那画面，就比开着轰炸机回古代稍差些。也只有这般意义，才不枉我等吃瓜群众日思夜想呐！  黑鸟SR71，是史上最接近该场景的实例。 这货巡航速度超过3马赫，飞行高度20公里以上，甩开同时代的防空导弹如家常便饭，纵横天空三十载！“天下武功唯快不破”的最真实写照！ 不过，开挂并不是一件轻松的事，即便是美帝。对于快如闪电的黑鸟来说，也遭了不少罪，拐弯拐得太急都容易散架，更别提复杂的战斗动作了。所以黑鸟只是一架直来直去的侦察机，威慑力大减！即便只是侦察，32架黑鸟虽无一被击落，但自个儿摔了12架，这比例直追三哥！  1989年4月，黑鸟在菲律宾海上空飞行时，左发压气机轴承卡死导致叶片爆炸而坠毁。再后来，3马赫没法包打天下，黑鸟便只能退役了。 五、难！难！难！ 3马赫的黑鸟都摔成这样，就知道这事肯定不简单。高速飞行器作为一个新物种，没有三把刷子镇不住偌大的名头。 第一，超燃冲压发动机 想要飞的快，就得燃料倒的多，燃料一多，空气就不够烧了。 航空发动机的解决思路是装一台抽气机，个中原理前文说了很多。抽气机需要涡轮驱动，所以叫涡轮发动机。抽气机转太快是要散架的，卯足了劲抽的空气，最多只能供发动机飞到两三个马赫。  还能快点吗？ 能！当速度超过3马赫，迎面吹来的空气就足够烧了，这就是冲压发动机的概念。悲剧的是，火焰燃烧是有传播速度的，如果风速太快，火焰传播速度追不上风速，就会被吹散。为此，超过3马赫的空气要降为亚音速才能进入发动机燃烧室，这一降速，塞进发动机的空气也就有了上限，导致飞行器速度快不过6马赫。这类在3-6马赫之间的发动机就叫亚燃冲压发动机。  还能更快点吗？ 更快的速度意味着更多的空气，为了塞更多空气，只能任由超音速空气进入燃烧室，主角终于来了：超燃冲压发动机。核心就一句话：在超音速空气中实现点火并稳定燃烧，这需要巧妙的设计和优异的材料。  不算已故的老毛子，美帝在这块一骑绝尘。早在十多年前，X-43就实打实试飞了多次，速度几乎飙到了10马赫，不过每次只能持续10秒钟，让人有点绝望。后来美帝改玩6马赫的X-51，动力飞行达到了300秒，算是看到了一点实用的希望。 中国紧赶慢赶，2015年破了6马赫，美帝终于有伴了。2018年底，中国航天空气动力技术研究院实现了5毫秒内在3000m/s的空气中对氢燃料的点火，这俩参数是超燃冲压发动机突破10马赫的关键。当然，这只是在风中点火而已，不比人家美帝实打实的飞行试验。 对于超燃冲压发动机来说，6马赫只是门槛，10马赫也不是梦想，过了15马赫就比较乏力了，理论极限大约25马赫。  还能再快点吗？ 再快就往航天上去了。航天发动机的解决思路是自带氧气，也就没空气啥事了，速度当然快，但行头无比庞大，掉头是不可能的，做的是有去无回的打算。这就是大伙熟悉的火箭发动机。 总结一下，涡轮发动机在3马赫以下混，亚燃冲压发动机在3-6马赫混，超燃冲压发动机在6马赫以上混。 冲压发动机是不能慢的，不然迎面吹来的空气不够烧，于是就有人想到了组合式发动机。前面提到的黑鸟，就是涡轮发动机和冲压发动机的组合发动机，几十年前的产物，哎，不得不服几十年前的美帝。 第二，热防护 稀薄的空气，阻力虽小，但也不利于飞行器散热，10马赫的飞行器表面达到上千度也不稀奇。黑鸟在飞行时，因热胀冷缩，机体会增长30厘米，而机内的零部件并不会跟着变长，光这一点，得带来多大麻烦！ 不过，本僧对热防护技术没啥兴趣，找了一张高速飞行器的温度分布图，算交差了。  第三，气动外形 这得好好说道说道。 六、论外形的重要性 空气和水都属于流体，在流体中运动，外形的重要性，远超外形在恋爱中的重要性，这事归“流体力学”管。飞行控制和外形是一回事，都属于流体力学的范畴。 如果你指望用计算去对付流体力学，最终都会败在老师傅的经验下，正如你无论用什么技术折出两架纸飞机，都不可能扔出一模一样的飞行轨迹。 本僧斗胆放个妄言，在我看来，流体力学和中医颇有几分神似，因为流体力学的公式经常用到一个东西，叫“经验系数”，这非常符合咱们的传统习惯：我觉得这样差不多了。 中国在这方面的造诣可谓登峰造极，而钱学森更是堪称开挂级人物。当然，经验系数也是靠实验数据堆出来的，钱学森更不是掐指摇扇的算命先生。钱学森的贡献并不只是空气动力学，他的代表作是《工程控制论》，对中国整个工业化体系的建立意义非凡。 论贡献和不可替代性，在建国后的中国科学家里，钱学森算顶级中的顶级。另外，研究外形的钱学森的外形也是相当不错哟！  因为流体力学有大量的经验系数，所以需要积累大量经验，这主要靠两个手段，一是真刀真枪的飞行实验，二是风洞实验。 超高速的风洞实验，持续时间是用毫秒算的，获取的信息非常有限，没法和实际飞行相比，而飞行实验，烧的可不是油，而是钱。两者各有所长，各有所短。  美帝尽管风洞不弱，但人家当年仗着钱多，就想一步到位，直接玩飞行试验，没想到这钱烧的比油还快，没几年就收敛了不少。飞行实验获得的都是宝贵实测数据，可毕竟数量太少，经验不够就凑不出经验系数。 从漫天飞舞的消息看，美帝的玩法通常是装上发动机猛踩油门，直接飚速度，有点像黑鸟的升级版，然后到处喊着1小时全球打击。没办法，谁让人家发动机牛逼呢！ 七、钱学森弹道与打水漂 太空飙车，省油比速度重要，速度过了10马赫就完全够用了，再快都是浪费，但航程永远不嫌多，要形成威慑力，少说也是几千公里起步。 如果像黑鸟那样，单纯靠冲压发动机的蛮力，推着飞行器在大气层边缘狂飙数千公里，来去自如，几乎是一件不可能的事。 摸着石头过河，不如摸着美帝过河，黑鸟的路线是走不通了。省油还得找窍门，窍门主要在外形，外形依然靠经验。  兔子因为当年穷，狠命发展风洞，一不小心把高速风洞玩到了独步武林，风洞实验还算省钱，所以积累了非常丰富的数据。于是，钱学森就开了一挂，说道，可以在大气层边缘走“助推-滑翔”弹道，也就是大伙熟知的“打水漂”。 原先一直以为这个比喻很形象，最近做了些功课，发现自己还是肤浅了。如果你知道了Sanger弹道，就会认为把钱学森弹道比喻成“冲浪”更合理，而“打水漂”这个比喻还是送给Sanger吧。  二战时，小胡子想炸美帝，于是德国人Sanger提出了一种前无古人的飞行器方案：飞行器重返大气层后，利用小型发动机和气动外形拐弯，再度飞出大气层，如此往复，以增加射程。后来这一方案被美帝缴获，然后被美国陆军航空兵上校钱学森看到了。钱学森认为只要热防护技术过关，飞行器完全可以在特定高度滑翔，根本不需要像Sanger弹道那么折腾，于是就提出了钱学森弹道。  钱学森弹道简单来说，就是把大气层看成水面，飞行器像冲浪一样在上面滑翔。对比弹道导弹，好处有三：其一，避免弹道被敌方计算；其二，大幅度提高航程；其三，可利用气动外形实施机动。 因为高速飞行器和茶叶蛋攀得上关系，保密级别你懂的，所以只能是据说。据说，美帝只会用蛮力飚速度，速度飚得比兔子快，而兔子已经可以开着冲压发动机去大气层边缘浪了，还据说，可能已经给型号了。 2015年9月某次国产机试飞结束后，官方用了这么一组描述：“该飞机剖面特殊、飞行方式独特、飞行速度高度远超史上所有试飞机型。”此事被认为是钱学森弹道已经应用的重要旁证。 从外媒捕风捉影的WU-14，到自家半遮半掩的东风26，还有大方示人的歼20运20，无不透露着兔子在气动外形领域的深厚功底，这可能是兔子为数不多的能稳稳压过美帝的主流技能了。 本僧虽常嘲笑阿三，调侃毛子，逗逗欧萌，但，从不看扁美帝。当年瑞典的鹰狮战机采用和歼20一样的鸭式布局，飞控和气动布局没过关，飞机直接拍地上，请美帝帮忙，美帝一出手就解决了问题。后来美帝觉得发动机才是王道，一直就没把气动当回事，如今就落了下风。若是兔子把钱学森弹道这条路趟出来了，美帝未必不能赶上来(当然，得是健健康康的美帝)。 经验算科学吗？ 依惯例，文末要对基础科学感慨一番。 物理学家已经能把氢原子的状态用方程表示出来，称为状态方程，解出这个方程，就能得到氢原子的状态。 1个氢原子的状态方程，计算难度大约是课后习题的水平。 2个氢原子待一起相互影响，状态方程就复杂多了，非学霸无以解之。 3个氢原子的状态方程，值得成立个课题，研究如何精确解。 10个氢原子的状态方程，谁能精确解出来，诺贝尔奖也是能指望的。 100个氢原子的状态方程，任谁都得跪。 啥意思呢？哪怕只有100个氢原子组成的系统，人类也无法精确计算其状态。要知道，氢原子只有一个质子，是最简单的原子，如果再把氧原子也放进来，那连计算的念头都不会有。 所以，作为半导体领域基石的能带理论，更不可能算出硅磷硼原子之间的复杂关系，只是一个近似理论。而在空气动力学领域，连原子状态方程都没必要写了，直接靠实验攒经验。 还有，制备材料的分子动力学，救死扶伤的医药学，探究生命的生物学…… 科学，有时候无奈得只能靠经验。 来源：公众号 老和山下的小学僧 作者：小学僧 文章仅代表作者观点，转载请注明来源及作者 文章搜索: 小学僧 老和山下的小学僧 高速 飞行器 太空 |
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