战机在高空高速飞行时机体外表温度是高,还是低?有何科学解释?

苍狗与海鸥c


常言道:高处不胜寒。3000M以上高度高寒缺氧,这是基本常识。5000m以上空气中的氧气含量不足陆地的一半气温在O下2、30度。民用客机在3000M以上飞行时候为了确保乘客乘坐的舒适性机舱在设计当初就设计成气密舱,配置空气调节设备(供氧、供暖),运输机和民用客机飞行速度适中,(民用客机运输机一般最高飞行速度在800km/h),万米高空的气流对机体影响不是很明显。

虽然,在万米高空对于高空高速战斗机/侦察机的机体影响那是致命的考验。例如、美国R71“黑鸟”高空高速侦察机,在高空高速飞行过程中与空气的高速摩擦机身温度剧烈上升、机首温度高达400多度整个机身长度甚至于变长,变形,为了应对高空高速飞行过程中机体变化,在设计上采用了很多高科技材料发动机的燃料都是特殊配方,特殊材料的座舱盖玻璃。前苏联的“米格31”高空高速截击机由于机体材料上竟然大量使用不锈钢,为了应对高空高速飞行产生的高温,保证机载电子设备的耐高温,采用高品质真丝棉被做成隔热层。

虽然高空环境高寒缺氧、气流相对稳定,飞机高速飞行空气阻力增加、(速度越大、风阻系数增加)飞机高速飞行过程中与空气产生剧烈摩擦机体表面温度高。这是特殊环境下自然现象。





孔乙己乱弹


我们大家都知道海拔高度每增加1000米气温就下降6摄氏度,换言之我们经常乘坐飞机外出,虽然机舱内部的环境很舒适,温度和在地面差不多不冷不热,但是在客机飞行的这个高度上,机舱外面的气温可是零下50度左右,就算是飞机高速飞行时,客机表面金属与空气摩擦产生的温度也只能让机身表面的温度维持在零下40度左右,所以就算抛出高速气流冲刷、大气含氧量稀少等问题,直接在这个高度跳伞等于自杀是完全正确的,所以这也是为什么客机没能和战斗机飞行员一样给乘客配备降落伞的原因之一,毕竟除了有没有受过大量的跳伞训练等因素外,光是这个温度不穿保温增压服也是必死无疑。

但是这毕竟是对于速度很低的飞行器而言,如果飞行器的速度能够更快的话,飞行器表面的温度反而会很高,这个时候还需要针对性的进行降温处理,比如载人飞船返回地面时,其下降速度大概在8000/秒,返回舱在经过大气层时与大气摩擦会产生很高的温度,所以就需要对返回舱与大气层直接接触的表面进行隔热处理。当然这只要是针对于这类不常见的高高高超音速飞行器而言。毕竟我们经常见到的各种战斗机的最大飞行速度也不过2马赫,就算战机在最大飞行速度下其机体表面的温度也不过四五十摄氏度,而且战机受限于载油量等问题的考虑,就算以最大飞行速度2马赫左右高速飞行,也不过飞行最多十几分钟就歇菜了。所以机体表面温度虽然会上升,但是这个上升后的温度还是处于正常的战机承受范围之内的,所以并不足为虑。
但是并不是所有的战机都不需要进行降温处理,比如一些冷战时期研制的高速侦察机就有专门针对高速飞行时机体升温的处理措施,比如美国曾经研制过的“一代谍王”SR-71黑鸟侦察机之所以能够被封为一代谍王就是因为在其服役的三十年时间里从来没有哪种型号的防空导弹能够追到它,而它的秘密就是比当时任何防空导弹都飞得高飞得快,所以就算被发现也大可安逸。比如黑鸟侦察机最高飞行速度达到3马赫,最高飞行高度超过3万米,黑鸟侦察机之所以能够能够以3马赫的飞行速度进行战略侦查任务离不开其采用的钛合金材料,因为早期的各种航空器在高速飞行时因为采用的建造材料不能承受高温的原因(当飞行器在以超音速飞行时,机体表面产生的激波与大气摩擦会造成机身表面的蒙皮温度急剧上升,比如飞机的飞行速度马赫数为 2.0时,机头处的温度略超过100℃。而当M数等于3.0时机头表面的温度则升至350℃左右,已超过了铝合金的极限温度,使其强度大大削弱),就算有推比超高的发动机也不能实现实现很高的飞行。而黑鸟战略侦察机作为一款战略产品却采用了对手苏联生产的钛合金来作为建造材料,也成为了史上第一个突破热障的飞行器。而钛合金相比常见的铝合金来说熔点更高,而且比当时苏联的米格25采用不锈钢作为建造材料而言重量更轻,也就意味着黑鸟侦察机的飞行速度更快。
比如黑鸟侦察机在以最大3马赫的速度高速飞行时,设计师凯利约翰逊虽然为了降低其机身表面高温而产生的红外辐射将利用内置的油箱和机身表面刷涂的黑绿色涂料来降温,但是机身表面的温度还是会超过400摄氏度,机头、垂尾等位置的温度则会更高,虽然五六百的温度对于以钛合金建造的机体结构和机身表面的蒙皮不会产生很大的影响,但是再好的金属也离不开热胀冷缩这一物理现象,如果黑鸟侦察机不能够解决这个问题,那其高速飞行时机体结构等金属部件受热后产生的变形等问题会直接将侦察机自身摧毁解体。所以黑鸟侦察机在制造的时候,就在机身所有接缝的位置留有一定的缝隙,这个缝隙可以保证侦察机在高速飞行的时候缝隙会自动闭合结构延展也会允许范围之内。这样做虽然解决了热胀冷缩的问题,能够让黑鸟战略侦察机以3马赫的速度在高空飞行。但是侦察机在低速飞行或者平时停放在地面的时候,机体表面的温度并不足以让接缝自动闭合,而且结构框架也会变得松松垮垮的,就像是快要解体似的,所以才会出现黑鸟战机在地面停放时经常漏油和每次飞向都需要进行空中加油的缘故。
总结一下就是,任何飞行器在高速飞行的时候随着飞行速度的增加都会遇到“热障”的问题,我们常见的客机、战机由于飞行速度不高的原因,其机身表面与大气产生的摩擦的热量不足以使机体表面升温,所以也就不需要专门针对热障而特别设计了。但是像航天返回舱或者战略侦察机、截击机这类两三马赫的高速飞行器在面对热障的问题时,要不就是和返回舱一样使用一次性的隔热涂层来降温,要不就是采用熔点更高的材料来制造。好在现在卫星的出现也让高速侦察机退出了历史舞台,所以现在我们也就看不到在夜深人静的黑夜,红外观瞄雷达上偶尔出现的一抹暗红了。


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