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“无影锤”助飞机加速
金陵 2018-04-25
导语

飞机要突破音速不易。但科学家发现,只要飞行时在其尾部气流中注入一点等离子气,就可以大大减少阻力。

飞机要突破音速不易。但科学家发现,只要飞行时在其尾部气流中注入一点等离子气,就可以大大减少阻力。

▍空气是堵无形的大墙

空气柔若无物,我们每天都在空气中到处走动,从来没有觉得空气对我们走路有什么影响,但是,若奔跑起来,就会感到有风迎面吹来。

而对于速度更快的飞机来说,空气虽然托起了它的身躯,但同时也像大队人马一样挡着飞机的去路,不但前面有大量的气体分子对飞机撞击,后面的空气分子也会拽着飞机的“裤脚”,飞机要想在这“千军万马”中横冲直撞,必须具备足够的力气(燃油提供的能量)。这还是对于低音速飞机来说的,对于超音速飞机来说,就不只是奋力摆脱空气纠缠的问题了。

跳水的人知道,接触水时若速度太快,姿势又不当,会被“温柔”的水打晕,速度更快的悬崖跳水,姿势掌握不好的话,跟跳楼没多大区别。由此可见,即使是更“温柔”的空气,如果飞机的速度非常快,空气也足够对飞机形成猛烈的撞击,这就是飞机的速度一旦接近340米/秒的音速时,为什么会感觉空气像墙一样挡在前面。飞机穿过这堵墙时所引起的震动和巨响足以震碎附近的门窗玻璃。传说一个养鸡场的上万只鸡就被低空超音速飞行的飞机给震死了。这足以证明空气墙和飞机之间的撞击有多剧烈。

然而一个偶然的机会科学家发现,一种巧妙的物质可以把阻碍飞机前进的空气轰开。据分析,如果能成功用于飞机上,那将是飞行器划时代的革新。

“无影锤”击碎空气墙

那还是1970年代,当时正值冷战时期,前苏联莫斯科无线电技术研究机构的一位研究者突发奇想,他想看看飞行器激起的波在等离子体气体中会是什么表现,于是进行了一些飞行物在等离子气体中的实验,实验过程是保密的,但是结果却流传了出来,据说等离子气体竟然能化开飞行器周围的空气锥形波,让飞行物更自由地飞行。

之后这个消息被美国宇航局的研究者知道了,他们不会放过任何一个有利于飞行的想法,于是先进行了一个简单的实验:在高速飞行器的尾部向空气流中注射一些带电离子,结果发现这一点小招数竟然能大大降低尾部空气分子拖拽的力量。

实验效果很明显,进一步的实验展开了:

让一个胡桃大小的弹子球以1000米/秒的速度穿过一个充满低压氩气的透明管道,其中管道中的一部分氩气被电离了,形成了等离子气体。研究者用摄像机拍摄弹子球在进入等离子气体前后会有什么现象。结果是令人震惊的,在弹子球进入等离子体之前,其周围有锥形波,但是一旦进入等离子气体中之后,就像传说中的摩西分海(圣经《出埃及记》中记载,摩西率领以色列人逃出埃及,途中遇到红海,摩西伸杖,海水分开,现出一条路面,让以色列人顺利过海)一样,等离子气体竟然把锥形波驱赶到了前方很远的地方,为弹子球提供了飞行的自由空间。

这个现象不论对航空工程师还是等离子体研究者,都很有意义。不过航空工程师们更关注的是等离子体气体对飞行会起多大作用。观察和分析的结果是,在1000米/秒的超音速下,等离子气体可以减小气体阻力的30%!要知道,航空工程师们常常为了减少1%的空气阻力而费尽九牛二虎之力,而1%的阻力减小就意味着飞行器可以大大提高飞行速度或者多承载10%的重量,30%的阻力减小对航空工程师有多大的吸引力就可想而知了。

进一步的研究更令人兴奋,等离子体气体不仅能够大大减小超音速飞行器的飞行阻力,还能明显减小低于音速飞行的飞机的阻力,让飞机大大提速,甚至一步达到超音 速!等离子气体还能影响亚音速飞机周围的气流形状,从而利用气流形状的改变来控制飞机的方向和航线。因此,有工程师认为,以后飞机的副翼等操纵面可以不要了,只要给每架飞机配个等离子体发生器就可以了。

不仅如此,用等离子气体包裹的飞行器对雷达电波来说是隐身的,这是军事领域最感兴趣的地方,有这样的飞行器,执行秘密任务就可以神不知鬼不觉了。

我们还未了解等离子体

有意思的是,尽管有关这方面的实验做了不少,航空科学家和研究等离子体的科学家共同努力,至今也还没有彻底弄清楚为什么等离子体对飞行器激起的波有如此大的作用。大体的感觉是等离子体改变了飞行器周围空间的介质,让飞行器能更自由地飞行。至于为什么会这样,他们解释不清。

等离子体的行为本来就非常怪异,这一点等离子体专家们很清楚:等离子体由于复杂的电现象,会让位于其中的物质呈现出怪异的性质。例如电流在等离子体中的传播会形成细丝,如果有相距不太远的两股电流同时在等离子体中传播,所形成的这两股细丝还会相互旋转并缠绕在一起,好像形成了类似DNA的双螺旋结构。而空气分子一旦被电荷附着之后就不再有相互之间的密切联系了,很容易散开。肯定是等离子体改变了飞行器周围空气的性质,至于具体是如何改变的,还需要继续探索。

不管什么原因,等离子体能大大改变飞行器的运动这一点是板上钉钉的事了。科学家目前想的是,如何用尽量少的能源,给飞机或航天飞机之类的飞行器装上有效的等 离子体发生器,要知道,制造等离子体也需要耗费大量能源的。不过这方面的研究还处于保密阶段,我们只能待到等离子体飞行器面世时,才能目睹它的风采。

(本文来源:微信公众号大科技;)

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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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