民航飛機為什么沒有超音速?因為音爆會導致地面巨大噪聲甚至破壞,所以各國都禁止超音速飛行。美國宇航局為了解決音爆問題,甚至開發了一款奇葩的X-59靜超音速飛機。有多奇葩呢?它的機頭超尖細,差不多占了整個機身一半的長度,還把擋風玻璃都取消了,只能“盲飛”,將于今年開始測試飛行。
不過現在,NASA的錢和努力可能要打水漂了——當然,這是開玩笑。中國科學家近日已經找到一種超級簡單的辦法,不但可以解決超音速飛行的音爆問題,還可以把飛機的空氣動力學效率提高10%以上,根據《南華早報》的報道,這項研究已發表在上個月的中國《空氣動力學學報》上。
固定翼飛機之所以能夠產生升力,是因為機翼上表面彎曲,氣流流過的距離比平坦的下表面長,伯努利效應導致上表面氣流速度更快,氣壓更低,下表面則流速較慢,氣壓較高,從而產生凈升力讓飛機升起來。
這就像踢香蕉球,球旋轉導致一側空氣流速加快,因而會形成弧線路徑。或者你也可以拿一張紙,放在下嘴唇上,然后吹氣,紙也會向上方飄起。
球速越快,香蕉球弧度越大,守門員越無可奈何。飛機越快,產生的升力也會越大,但當飛機接近或超過音速時,飛機前后方的一系列壓力波,會因為無法相互避讓,而合并成以音速傳播的沖擊波,形成音錐,產生音爆。
而這種沖擊波也會在機翼后緣產生強烈的湍流,形成阻力降低伯努利效率產生的升力,并且會引發破壞性的劇烈振動——所以飛機需要強化設計才能超音速,但音爆卻不可避免。
西北工業大學的研究人員突發奇想,能不能在機翼上鉆個洞來調整氣流,阻止機翼后緣形成沖擊波呢?經過計算機模擬和風洞試驗,他們發現這種方式不但可以擾亂沖擊波,減輕機翼的振動,還可以讓氣動效率提升10%以上,可以說是一舉三得。盡管升力可能會損失一些,但整體阻力減少仍然會導致更高的升阻比。
研究人員然后又給孔洞加上蓋子,以及在洞中安裝氣泵,讓飛機在超音速時才打開孔洞,吸入機翼下方空氣從上方噴出的設計,并且可以根據速度和氣壓調整噴流,從而更好地消除音爆。
當然,這項研究目前只是進行了風洞試驗,還沒有應用到飛機設計中,但這一簡單的解決方案如果被證明切實可行,有可能會改變1903年萊特兄弟發明飛機以來的飛機基本設計原理,成為航空領域的又一個重大突破。
好吧,我也有了一個超級大膽的想法,以后是不是在飛船上裝個黑洞,就可以擾亂時空超光速飛行了呢?歡迎大家腦洞!
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