【材制丨视角】“船新”飞行器的进化史
初原载于 爱学习的 青春材制
2022-05-13
未经授权禁止转载
✦
在全球范围内，新型飞机的研发正如火如荼地进行着。其中，最引人注目的是协和式飞机退役之后再次启动研发超声速飞机的计划和关于太空高速飞行器的研究。或许在不久的将来，我们24h之内就能往返于地球上的任何一个地方...
一.技术和需求的变化推动客机进化
现代喷气式飞机的发动机基本都悬挂在飞机后掠翼的下方，这种设计是随着1958年投入使用的波音707确立下来的，之后几乎没有任何变化。同样没有变化的还有客机的飞行速度，一直停留在接近声速的水平。
迄今为止，只有苏联图波列夫设计局研发的Tu-144和英国与法国联合研制的协和式飞机的飞行速度超过了声速。协和式飞机在1975年投入使用，不到3个小时就能从美国纽约飞到英国伦敦。
尽管其快如闪电的速度和充满未来感的外观备受大众关注，但最终还是在2003年退出了历史的舞台，这又是为什么呢？
二．噪声和声爆是瓶颈
当飞机的飞行速度超过声速时，空气的阻力就会急剧增大。因此。协和式飞机需要消耗大量燃油。因耗油量大，票价也相应较贵。另外，协和式飞机的发动机是针对超声速飞行而研制的。因此，飞机起飞和着陆的噪声非常大。
其中，最严重的问题是激波导致的声爆。由于物体挤压并排开前方空气的波是以声速传播的，所以，当飞行速度超过声速时，飞机的各个部件(机翼、尾翼和进气道等)及发动机羽流都会对周围空气产生强烈扰动，形成一系列激波系与膨胀波系；在向地面传播过程中，这些波系之间相互作用，最后在地面形成头尾两道激波，我们就能听到“轰轰”的两声巨响，这就是声爆。在发射火箭或陨石坠落时也能听到这种声音，如同炸雷般的巨响。因此，美国禁止协和式飞机在其陆地上空飞行。基于这些原因，超声速飞机的研发非常缓慢，客机的飞行速度已经达到了极限。
现在，人们期待着超声速飞机能够再次飞上天空。这是因为通过开发碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)等新型材料，有望减轻 机身重量和改善飞机耗油量，另外，通过提高发动机的性能，也有望减轻飞机起飞和着陆时的噪声。此外，随着商业的全球化，人们对日往返差旅等的需求也日益增加，这也是一大背景原因。
三．有什么方法可以消除激波?
只要飞机以超声速在大气中飞行，就不可避免地会产生激波。因此，飞机头部必须尽可能地设计得细长，后掠翼的前缘必须进一步向后延伸以降低激波的冲击强度。以超声速飞行的协和式飞机、序曲飞机和战斗机等基本都采用了这种形状。
降低声爆的研究也取得了进展。JAXA(日本航天局)和NASA(美国航天局)在这一领域的研究处于领先地位。JAXA通过改进机头、机身和主翼的形状，成功降低了声爆。此外，日本东北大学的研究团队提出的超声速飞机方案，通过将上下两片机翼重叠在一起，形成“双翼型”，就可以消除各个机翼产生的激波。
亚轨道飞行器的飞行速度能够超过超声速飞机的飞行速度。亚轨道飞行的轨迹呈抛物线状，最高上升到100千米左右的高度(进入太空)。始于2021年的体验几分钟失重感觉的太空旅游项目也是在亚轨道上飞行的。
普通飞机是通过燃料与大气中的氧混合燃烧而获得推力的，但亚轨道飞行要穿越大气层，无法利用大气中的氧，因此除了燃料之外，还需携带液态氧。
由于在业轨道飞行则不借助升力，所以其运行方法与通常的方法有所不同。如果能实现亚轨道飞行不借助，据说只需30分钟就能从日本飞到新加坡。目前，从事太空旅游的风险企业等正在努力进行开发。
四.“去碳化”
不只是机身的形状，飞行动力也在不断变化。目前，研究人员正致力于研发使用生物燃料或氢燃料的发动机，以代替使用化石燃料的喷气发动机。航空公司正不断证实着生物燃料可以取代传统燃料。
随着电池性能的提高，尽管目前尚无法应用于大型飞机，但可以应用于中型或小型飞机。就像汽车那样，研究人员正在努力研发全电动发动机或与传统喷气发动机相结合的混合动力发动机。由于电动机比传统发动机更小且能够分散安装，所以其设计范围更广。
以氢为燃料时，利用通过自然能源获得的电，对水进行电解就能获得氢，实质上就能实现二氧化碳的零排放。
随着新设计理念和新材料的出现、发动机的改进，以及需求的变化等，形态各异的飞机将相继亮相，而航空航天事业也会继续闪耀在世界舞台之上。
参考文献：
1.《协和式飞机:成功的技术，失败的经济》祖林 科学新闻 2001
2.《飞机噪声技术研究—工程解决方法》张正平、任方、冯秉初《航空学报》2008
3.《激波的原理》——百度百科
撰 稿 人：科技协会科创部 李家杰 赵韦业
责任编辑：科技协会执行主席 马浩然
执行编辑：科技协会组宣部 李亦高 李嘉宇
总 编 辑： 李晓萌
投稿请发送至：fmmsat@163.com
