戰機在高空高速飛行時機體外表溫度是高,還是低?有何科學解釋?

蒼狗與海鷗c


常言道:高處不勝寒。3000M以上高度高寒缺氧,這是基本常識。5000m以上空氣中的氧氣含量不足陸地的一半氣溫在O下2、30度。民用客機在3000M以上飛行時候為了確保乘客乘坐的舒適性機艙在設計當初就設計成氣密艙,配置空氣調節設備(供氧、供暖),運輸機和民用客機飛行速度適中,(民用客機運輸機一般最高飛行速度在800km/h),萬米高空的氣流對機體影響不是很明顯。

雖然,在萬米高空對於高空高速戰鬥機/偵察機的機體影響那是致命的考驗。例如、美國R71“黑鳥”高空高速偵察機,在高空高速飛行過程中與空氣的高速摩擦機身溫度劇烈上升、機首溫度高達400多度整個機身長度甚至於變長,變形,為了應對高空高速飛行過程中機體變化,在設計上採用了很多高科技材料發動機的燃料都是特殊配方,特殊材料的座艙蓋玻璃。前蘇聯的“米格31”高空高速截擊機由於機體材料上竟然大量使用不鏽鋼,為了應對高空高速飛行產生的高溫,保證機載電子設備的耐高溫,採用高品質真絲棉被做成隔熱層。

雖然高空環境高寒缺氧、氣流相對穩定,飛機高速飛行空氣阻力增加、(速度越大、風阻係數增加)飛機高速飛行過程中與空氣產生劇烈摩擦機體表面溫度高。這是特殊環境下自然現象。





孔乙己亂彈


我們大家都知道海拔高度每增加1000米氣溫就下降6攝氏度,換言之我們經常乘坐飛機外出,雖然機艙內部的環境很舒適,溫度和在地面差不多不冷不熱,但是在客機飛行的這個高度上,機艙外面的氣溫可是零下50度左右,就算是飛機高速飛行時,客機表面金屬與空氣摩擦產生的溫度也只能讓機身表面的溫度維持在零下40度左右,所以就算拋出高速氣流沖刷、大氣含氧量稀少等問題,直接在這個高度跳傘等於自殺是完全正確的,所以這也是為什麼客機沒能和戰鬥機飛行員一樣給乘客配備降落傘的原因之一,畢竟除了有沒有受過大量的跳傘訓練等因素外,光是這個溫度不穿保溫增壓服也是必死無疑。

但是這畢竟是對於速度很低的飛行器而言,如果飛行器的速度能夠更快的話,飛行器表面的溫度反而會很高,這個時候還需要針對性的進行降溫處理,比如載人飛船返回地面時,其下降速度大概在8000/秒,返回艙在經過大氣層時與大氣摩擦會產生很高的溫度,所以就需要對返回艙與大氣層直接接觸的表面進行隔熱處理。當然這隻要是針對於這類不常見的高高高超音速飛行器而言。畢竟我們經常見到的各種戰鬥機的最大飛行速度也不過2馬赫,就算戰機在最大飛行速度下其機體表面的溫度也不過四五十攝氏度,而且戰機受限於載油量等問題的考慮,就算以最大飛行速度2馬赫左右高速飛行,也不過飛行最多十幾分鍾就歇菜了。所以機體表面溫度雖然會上升,但是這個上升後的溫度還是處於正常的戰機承受範圍之內的,所以並不足為慮。
但是並不是所有的戰機都不需要進行降溫處理,比如一些冷戰時期研製的高速偵察機就有專門針對高速飛行時機體升溫的處理措施,比如美國曾經研製過的“一代諜王”SR-71黑鳥偵察機之所以能夠被封為一代諜王就是因為在其服役的三十年時間裡從來沒有哪種型號的防空導彈能夠追到它,而它的秘密就是比當時任何防空導彈都飛得高飛得快,所以就算被發現也大可安逸。比如黑鳥偵察機最高飛行速度達到3馬赫,最高飛行高度超過3萬米,黑鳥偵察機之所以能夠能夠以3馬赫的飛行速度進行戰略偵查任務離不開其採用的鈦合金材料,因為早期的各種航空器在高速飛行時因為採用的建造材料不能承受高溫的原因(當飛行器在以超音速飛行時,機體表面產生的激波與大氣摩擦會造成機身表面的蒙皮溫度急劇上升,比如飛機的飛行速度馬赫數為 2.0時,機頭處的溫度略超過100℃。而當M數等於3.0時機頭表面的溫度則升至350℃左右,已超過了鋁合金的極限溫度,使其強度大大削弱),就算有推比超高的發動機也不能實現實現很高的飛行。而黑鳥戰略偵察機作為一款戰略產品卻採用了對手蘇聯生產的鈦合金來作為建造材料,也成為了史上第一個突破熱障的飛行器。而鈦合金相比常見的鋁合金來說熔點更高,而且比當時蘇聯的米格25採用不鏽鋼作為建造材料而言重量更輕,也就意味著黑鳥偵察機的飛行速度更快。
比如黑鳥偵察機在以最大3馬赫的速度高速飛行時,設計師凱利約翰遜雖然為了降低其機身表面高溫而產生的紅外輻射將利用內置的油箱和機身表面刷塗的黑綠色塗料來降溫,但是機身表面的溫度還是會超過400攝氏度,機頭、垂尾等位置的溫度則會更高,雖然五六百的溫度對於以鈦合金建造的機體結構和機身表面的蒙皮不會產生很大的影響,但是再好的金屬也離不開熱脹冷縮這一物理現象,如果黑鳥偵察機不能夠解決這個問題,那其高速飛行時機體結構等金屬部件受熱後產生的變形等問題會直接將偵察機自身摧毀解體。所以黑鳥偵察機在製造的時候,就在機身所有接縫的位置留有一定的縫隙,這個縫隙可以保證偵察機在高速飛行的時候縫隙會自動閉合結構延展也會允許範圍之內。這樣做雖然解決了熱脹冷縮的問題,能夠讓黑鳥戰略偵察機以3馬赫的速度在高空飛行。但是偵察機在低速飛行或者平時停放在地面的時候,機體表面的溫度並不足以讓接縫自動閉合,而且結構框架也會變得鬆鬆垮垮的,就像是快要解體似的,所以才會出現黑鳥戰機在地面停放時經常漏油和每次飛向都需要進行空中加油的緣故。
總結一下就是,任何飛行器在高速飛行的時候隨著飛行速度的增加都會遇到“熱障”的問題,我們常見的客機、戰機由於飛行速度不高的原因,其機身表面與大氣產生的摩擦的熱量不足以使機體表面升溫,所以也就不需要專門針對熱障而特別設計了。但是像航天返回艙或者戰略偵察機、截擊機這類兩三馬赫的高速飛行器在面對熱障的問題時,要不就是和返回艙一樣使用一次性的隔熱塗層來降溫,要不就是採用熔點更高的材料來製造。好在現在衛星的出現也讓高速偵察機退出了歷史舞臺,所以現在我們也就看不到在夜深人靜的黑夜,紅外觀瞄雷達上偶爾出現的一抹暗紅了。


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