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移动世界。
高超音速飞行

领先图像©3000ad / Adobe Stock和Simon / Adobe Stock。Andrew Brumagen设计。

千年隼号在太空中的飞行速度可能比光速还快,但在大气层中——行星周围的一层气体——走私者的飞船并不比喷气式客机快多少。事实证明,以超高速进入大气层会带来一系列问题。研究人员正致力于用一个小得惊人的风洞来解决高超声速飞行的重大设计挑战。

想象一下,你在早上乘坐飞机通勤,然后在30分钟内从一个海岸飞到另一个海岸,或者乘飞机去外太空度蜜月。机械工程师克里斯·库姆斯(Chris Combs)表示,这在未来可能不会太远。他正在研究高超音速对飞机的影响。

在高超音速飞行中,飞机、火箭或导弹穿过大气层的速度可以达到每小时4000英里以上。虽然军事用途可能是第一个明显的应用,库姆斯说,高超音速旅行在民用旅行中也有作用——甚至是太空旅游。

他说:“这是一个必须解决的问题,要使太空飞行,甚至太空旅游成为常态。要做好这一点,你必须了解高超音速,因为任何返回地球或降落在另一个星球上的东西都将应对高超音速环境,”他说。

“你可以在全国各地预订一顿晚餐,然后回家——与你开车穿过城市去接孩子所用的时间相同。”

克里斯·库姆斯

高超音速飞行达到速度比声速快——大约超过5马赫——这时气流的物理变化变得明显,热得让人无法忍受。

例如,当以高超音速飞行的宇宙飞船或卫星重新进入大气层时,它通常看起来像一个发光的火球。这只是因为摩擦。在空间的真空中,没有大气,摩擦是没有问题的。没有摩擦阻力(来自大气气体),宇宙飞船可以真正加速,达到目前在地球大气中不太可能达到的高超音速。

2019年,俄罗斯成为第一个部署高超音速核导弹的国家,震惊了世界。现在,美国希望引领商业高超音速旅行。但是,如果把一个人放进那个潜在的热箱里,那么——嗯,没有人想要试驾它。相反,库姆斯和他在德克萨斯大学圣安东尼奥分校的团队正在建造一个高超音速风洞,计划于本月完成。

高超音速风洞很少见。UTSA的设施将是美国大学校园内的三个可以达到7马赫以上速度的高超音速设施之一。但这可能不是你想象的高超音速飞行研究的最先进设备的样子。风洞是一根8英寸长的管子,一端是真空蓄水池。

当真空以极快的速度将空气吸入隧道时,加压管道会在测试段产生高超音速气流。每个测试只持续了几分之一秒,却创建了数千个数据点。

库姆斯说不要在风洞里画风火轮式的模型。他建造的F-35战机并不是为了测试。相反,他检查单个部件,如鳍、机翼或斜坡。尽管如此,我们还是可以从小模型中了解到很多关于高超音速飞行的物理知识。

克里斯·库姆斯和他的团队站在UTSA马赫数7的路德维格管真空室前,该真空室定于本月完工。图片由UTSA工程提供。

克里斯·库姆斯和他的团队站在UTSA马赫数7的路德维格管真空室前,该真空室定于本月完工。图片由UTSA工程提供。

库姆斯说,在地面进行全面的试飞几乎是不可能的。除了为了模拟飞机周围的高超声速而必须移动大量空气之外,摩擦还会从根本上改变空气的化学成分,升温到地面设施无法承受的温度。康姆斯的迷你风洞温度可达800华氏度,与全面高超音速飞行相比,这被认为是“冷”的。

更复杂的是冲击波的存在:高超音速造成空气压力的急剧变化,其强度足以在飞机上炸出一个洞。为了研究这个问题,康姆斯正在风洞中测试各种粗糙度和纹理的飞机材料,以了解它们与冲击波的关系。

在高超音速飞行中,飞机的速度可以达到每小时4000英里以上。

现在——因为我们的研究还不完美——工程师们用超工程飞机来弥补。库姆斯说:“例如,火星科学实验室在着陆时,隔热层的厚度是所需厚度的10倍。”NASA是在着陆后才了解到这一点的。

在这样的利润率范围内制造飞机成本高昂,利润微薄,将商业实体排除在外。库姆斯表示,高超音速旅行不仅适用于少数想要进入太空的人,它也可以普遍适用于地球上的人。

“我认为真正重要的是商业航空旅行的革命性潜力。你可以在全国各地预订一顿晚餐,然后回家——与你开车穿过城市去接孩子所用的时间相同。”

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