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本科生科研指南(26):突破声障 精选

已有 4276 次阅读 2020-1-10 08:27 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(26):突破声障

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

去年“70周年”国庆阅兵中,我军新研发的一款名为东风17的导弹火爆了全网,也让很多高校学子深感骄傲。这款导弹的性能优越,具有非常强的全天候打击和突防能力。从飞行速度上来讲,该款导弹属于高超音速武器。在通常的室温下,声音的传播速度大概是340米每秒(注一)。所谓的超音速现象便是某个物体的运动速度超过了音速,而高超音速则意味着物体的运动速度达到了3-5倍的音速(注二)。据媒体报道(注三),东风17导弹的飞行速度在十几个音速以上,或达到20倍音速(即6800米每秒),难怪这款导弹的曝光引起了社会上极大的关注。若想实现超音速飞行甚至高超音速飞行,首先要突破所谓的“声障”,本文围绕此领域的相关历史和进展为本科生梳理和展现该领域科学研究的脉络。

纵观历史,人类对天空充满着强烈的好奇,翱翔蓝天的梦想一直激励着人类不停地对天空进行探索。在一代又一代前辈的努力下,飞机得以诞生。自此之后,人类又开始向更为高速的飞行发起挑战,希望能够不断地突破已有飞行器的速度,这无论在军事还是民用领域均具有重大意义。但在不断挑战速度极限的过程中,科学界也付出了惨重的代价。1945年6月,英国尝试试飞一款代号为DH-106“燕子”的飞机。当试飞员将该型号飞机速度提升到接近声速时,机身瞬间破裂,并导致机毁人亡。在后续的一段时间里,突破声速一直是航空航天领域的核心议题。当飞行器的飞行速度接近或者到达音速,其所面临的恶劣环境就犹如一个横亘在飞机面前的一堵障碍墙一样,难以逾越,“声障”这个词也因而得名

从原理上讲,飞机通过其机型表面等的有效设计实现气流给飞机向上的力(简称为升力)可以克服飞机的重力从而实现稳定的飞行。但当飞机接近声速时,飞机的阻力会急剧地增加,而升力却减小,给飞机的正常飞行造成一定的困难。不仅如此,飞机的机体也会产生剧烈的振动,极大地影响飞机的操作。通过仪器测试,科学家进一步发现飞机表面的压力和温度在其接近声速之时会非常急剧地瞬间升高,给飞机的机体带来极大的冲击并造成材料表面的高温破坏。上述难点正是阻碍飞机突破“声障”的核心问题。

想要突破音障,必须在航天基础理论上有所突破。在此过程中,我国的“两弹一星”功勋科学家郭永怀先生(图一)在此领域有着杰出的贡献。为了更为方便的理解郭先生的伟大工作,我们先围绕一个简单的管道内部流动例子介绍若干相关的流体力学基本概念(注四)。在这个实验中,我们可以用阀门控制流经管道的流体流速,可以把管子做成透明的并加入红色墨水等从而方便观察其流动状态。当我们将管道的入口流速从较低的数值不断升高的时候,通过红色墨水本科生便可以观察到管道内部流体一开始是比较有序而清晰的流动,而后逐渐转变为无序而混乱的流动,这时我们将发生上述转变的流速准确地记录下来,得到流态转变所对应的流速“上限”。相反,我们将管道的入口流速从较高的速度开始调整,流动起初处于无序状态,然后逐渐过渡到有序的状态,我们则得到了流态转变所对应的流速“下限”。之所以有上、下之分,因为上述两个流速基本上不会重合,且“上限”大于“下限”。在飞机的速度接近声速时,飞机周围流体的流动存在着流动状态的急剧变化,类似于上述管道流动中的“上限”和“下限”。在飞机的初始设计中,科学家更为关注“下限”,但屡试屡败。郭永怀先生通过严谨的理论推导证明了即使飞行速度超过“下限”,飞机仍然可以正常飞行,并不一定会遇到“声障”。另外,郭永怀先生更为敏锐地指出“上限”才是真正值得关注的,因为当飞行速度超过“上限”时飞机一定会遇到“声障”。上述研究是空气动力学领域的先驱性工作,具有划时代的意义。在此思想的指导下,在1947年10月14日,人类第一次突破了声障,实现了超音速飞行具体而言,飞机想要突破“声障”需要在其外形设计方面下足功夫,需要将机翼设计得更薄,部分飞机还将机翼做成了三角形等特殊形状。

 

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图一 中国邮政发行的纪念郭永怀先生的邮票

 

此外,细心的本科生可能发现网上很多突破“声障”的图片飞机周围都有很多雾状的汽体(如图一)。这个实际上是飞机突破“声障”时大气中的水汽因为气流的急剧加压加速而凝结的现象。该雾状云通常呈现圆锥状。其学名是“普朗特-格劳厄脱凝结云”(注五),又被称为锥状云、冲击领或冲击鞘。另外,在飞机突破“声障”之时,其周围空气因为急剧的升压而产生强烈的巨响,称之为“声爆”,其对飞机及周围的设施具有一定的破坏力。

 

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图二 歼20突破“声障”瞬间的图片(注六)

 

值得一提的是,高超音速飞行器的研发是整个国家工业实力和研发水平的极致体现。例如,在前期的研发过程中,上述东风17导弹需要进行成千上万次的风洞测试,从而对其设计进行不断的调整和优化。上述很多重要的实验是在中国科学院建设的目前国际上最为先进的高超声速风洞“JF12复现高超声速飞行条件激波风洞中进行的。而上述JF12风洞的建设和运营则凝聚了几代人的心血,十分不易。由此可见,基础研究和重大设施对于科学研究和国防建设的重要性。

当空气动力学同行们为突破“声障”和超声速飞行忙得不亦乐乎之时,汽车领域的工程师和科学家也在紧锣密鼓的进行突破“声障”的筹划。世界上第一辆突破“声障”的汽车是英国制造的Thrust SSC(注七)。1997年10月15日,该车在沙漠中进行了实际运行(图三),最高时速达到1227.985千米每小时,成为当时世界上跑得最快的汽车。该车重达10吨,长16.5米,宽3.7米,对称配备了两具战斗机用的涡扇引擎作为其运行的动力来源。作为一段历史的见证,该车被永久地保存在英国考文垂市的交通博物馆之中。该博物馆还为游客提供了一个可以体验当时创造世界纪录过程中驾驶环境的模拟器。

 

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图三 在沙漠中狂奔的Thrust SSC汽车

 

上述突破“声障”的故事对我们本科生同学开展科学研究有如下启发。

1.         基础知识。很多重要的创新均来自于对于基础知识的深入领会和掌握,并基于此进行适当的灵活运用。反过来讲,如果基础不够牢固,对重要问题很难有深入的理解。例如,上述的很多流体力学故事中涉及的实验和想法基本上源于大部分本科生流体力学类课程中的常见概念和分析。在后续深造过程中,本科生便会发现这些基本概念的深入学习与科研工作是息息相关的。

2.         广泛阅读。本科生平时应该坚持读书、看报,初步了解科学研究领域的最新思想和进展。初期,本科生可以多看一些科普类的书籍,例如《科学美国人》、《中国科学报》等等。如果后续对某个专业领域比较感兴趣,本科生可以有针对性地看相关领域的杂志。例如,对航空航天感兴趣的同学,可以定期阅读《航空周刊》、《国际航空》、《太空探索》等杂志。

3.         关注热点。本科生应花一定时间了解社会、科研领域当前的热点话题及其相关的讨论。通过对相关进展和专家解读进行阅读、思考,本科生可以逐渐培养批判性思维等重要能力。例如,美国波音公司的737MAX飞机接连出事,其背后的原因可谓是众说纷纭。有兴趣的本科生可以找一些较为权威的资料进行阅读和思考,并与周边的同学讨论,增加对科研的兴趣。比如,20198月的《国际航空》杂志中的一篇专门介绍737MAX空难原因探析的论文便很值得一读。

4.         国家需求。平时学习生活中,本科生可以留心关注感兴趣领域中国家的核心需求,有效地将个人的兴趣爱好与国家发展紧密地结合起来。比如,航空发动机一直是我们国家的软肋,迫切需要研发,这涉及到很多专业领域内的诸多复杂问题,有很多的机会供同学们大展身手。

 

注释部分

注一:严格地讲,在20摄氏度下,声音的传播速度为343.21米每秒。详见如下网站表格中的数据

https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound

注二:高超音速的明确定义存在一定的争议,部分教科书将高超音速定义为物体的飞行速度超过3.16倍的音速。详见《工程流体力学》(第四版),孔珑主编,第153页。

注三:本数字引自新浪军事报道,详见以下链接

https://mil.news.sina.com.cn/jssd/2019-10-14/doc-iicezuev2037596.shtml

注四:这个实验历史上称之为“雷诺管道实验”,在大部分的流体力学教科书中均有描述。详见《工程流体力学》(第四版),孔珑主编,第98页。

注五:该现象是一个数学上的奇点,即普朗特-格劳尔奇点(Prandtl–Glauert singularity, 简称为P.G. singularity)。

注六:此图来自中国网的报道,标题为“成都市区现巨响 成飞歼20试飞发出音爆(图)”

http://www.china.com.cn/guoqing/2015-11/27/content_37178197.htm

注七:SSC是英文supersonic car的缩写,即为超声速汽车的意思。





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