會“出汗”的超聲速飛行器

高速飛行的飛行器，在飛行過程中會與空氣劇烈摩擦，產生上千攝氏度的高溫。這樣的溫度，足以損壞或熔化飛行器。

人類通過皮膚出汗，可以帶走身體過多的熱量，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？

極速飛行要翻越兩座“大山”

自飛行器誕生以來，人們對飛行速度的追求就從未停止。當飛行器的速度達到或者超過聲速時，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”）。這使飛行器受到的阻力急劇增大，速度衰減并劇烈振蕩，出現聲障。

飛行器要想突破聲障，必須耗費成倍的能量。因此，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，否則飛行器的結構就可能遭到損壞。

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，會大大超過材料的耐溫極限，同時也會引起飛行器內部溫度升高，使艙內工作環境惡化。

當飛行器速度達到3倍聲速時，其前端的溫度可達300多攝氏度；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”。

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。

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，可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”。

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，只需要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。

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。

文章來源：《知識就是力量》

（責任編輯：嵇刊）