會“出汗”的超聲速飛行器

陳瑋瑋

高速飛行的飛行器，在飛行過程中會與空氣劇烈摩擦，帶來上千攝氏度的高溫，這樣的溫度可以熔化或損壞飛行器。

人類通過皮膚出汗，可以帶走身體多余熱量，來維持體溫恒定。那么，能否讓飛行器模仿人體“出汗”，來解決高溫難題呢？會“出汗”的超聲速飛行器，能經受住高溫的“烤”驗嗎？

極速飛行要翻越的兩座“大山”

聲障

自飛行器誕生以來，人們對飛行速度的追求從未停止。當飛行器的速度達到或者超過聲速時（空氣中的聲速在1個標準大氣壓和15攝氏度條件下為340米/秒），其前方的空氣被一層一層地壓縮成一堵密度很高的“空氣墻”，形成激波（又稱沖擊波）。這使飛行器阻力急劇增大，速度衰減并劇烈振蕩，出現聲障。

沖破聲障

飛行器要想突破聲障，必須耗費成倍的能量。工程師需要重新設計飛行器的氣動布局，以減小阻力；機身所使用的材料，也必須更加結實，而且能耐受一定的高溫，否則飛行器結構就可能遭到損壞。

熱障

摩擦生熱

隨著飛行器外形的改進和航空發動機性能的提升，突破聲障早已不是難題。然而，當飛行器以如此快的速度飛行時，周圍的高速氣流會與飛行器發生強烈摩擦，飛行器表面的空氣溫度會急劇上升，產生“氣動熱”。

隨著飛行器飛行速度和飛行時間的大幅提高，“氣動熱”在極端條件下引起的高溫、高熱流，會大大超過材料耐溫極限，同時也會引起飛行器內部溫度升高，使艙內工作環境惡化。

呈指數增長的溫度

當飛行器速度達到3倍聲速時，其前端的溫度可達330攝氏度；當速度達到8倍聲速時，飛行器表面的溫度則會升至上千攝氏度，這超過了絕大多數材料的耐受溫度。

這種隨速度呈指數增長的“氣動熱”，足以將飛行器燒毀，即出現熱障。如何高效散熱、突破熱障，是當前超聲速飛行器要翻越的另一座“大山”。

樹木的蒸騰作用示意圖

源自大自然的降溫智慧

植物的蒸騰作用

大自然蘊含著無窮的智慧。很早之前人們就知道，在酷暑時節，“大樹底下好乘涼”——樹葉能遮住陽光，樹下通風好，樹葉里的水分蒸發要吸收熱量，使周圍的空氣溫度降低。

如下圖所示，樹根從土壤中吸收水分，通過根、莖、枝內極細的導管向上輸送水分；最后，水分達到樹葉并以水蒸氣的形式排入大氣。這個無聲的過程被稱為蒸騰作用。

當陽光照射到葉片上時，大部分能量轉化為熱能，如果溫度過高，葉片會被灼傷。但是，在蒸騰過程中，水變為水蒸氣時會吸收熱能，使葉片表面的溫度降低。這樣，即使葉子在強光下進行光合作用，也不會因為溫度過高而受到損害。

人體的蒸發散熱

植物通過蒸騰作用來降溫的智慧，同樣在人體散熱上有類似的體現。那么，人體是如何維持體溫恒定的呢？

嘗試在手背上滴一小滴水，用嘴對著水滴吹氣，滴水處會逐漸感到涼爽，這就是蒸發散熱。

如果劇烈運動或其他原因使體溫升高，血液流經肌肉和組織，會把多余的熱量帶到皮膚表面，刺激皮膚上的汗腺產生汗液；汗液通過皮膚上的微小毛孔逸出，到達皮膚表面就蒸發了；熱量隨著汗液的蒸發被帶走，皮膚溫度降低，體溫就可以維持恒定了。

人體通過出汗散熱，維持體溫恒定（繪圖/閆麗芹）

飛行器也能“出汗”降溫？

植物通過蒸騰作用降溫，人體通過皮膚出汗帶走多余熱量，那么，能否讓飛行器模仿植物的蒸騰作用和人體的出汗，來緩解“氣動熱”帶來的高溫難題呢？答案是肯定的！

給飛行器“發發汗”

研究人員在飛行器的高溫部位，嵌入形狀類似汗腺的微小通道網絡；利用壓力泵將飛行器自身攜帶的冷卻劑注入高溫熱氣流內；制冷劑在從多孔防護層流向飛行器表面的過程中，可以連續吸熱，從而阻斷“氣動熱”對飛行器表面的熱侵蝕，并形成有保護作用的氣膜層。這樣可以弱化飛行器壁面與高溫主流流體的直接換熱，使飛行器表面的溫度得到有效控制。這種冷卻方法就是航空航天領域常用的發汗冷卻。

?發汗冷卻的工作原理（繪圖/閆麗芹）

優勢明顯的冷卻方式

可重復使用且防熱效率高是發汗冷卻顯著的優勢。從理論上講，只要系統提供足夠的冷卻劑，發汗冷卻系統就可使飽受“烤”驗的飛行器實現長時間的穩定工作。當飛行器的制冷劑耗盡后，只需重新補充制冷劑便可再次對飛行器進行冷卻。

根據這些優點，發汗冷卻可用于飛行器的頭錐、發動機噴管（使氣流降壓增速的管道）喉部、發動機燃燒室等高熱流部位的溫度控制。

燃燒室位置示意圖

?發汗冷卻應用于頭錐（繪圖/張玲）

發汗冷卻應用于燃燒室（繪圖/閆麗芹）

植物蒸騰作用和人體蒸發散熱，啟發研究人員設計了能“出汗”的超聲速飛行器。大自然是一個充滿智慧的世界，它是一本無盡的教科書，為我們提供了無數的生活啟示。希望讀者朋友們能從大自然中汲取養分，讓它指引大家的成長之路！

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）