04.10 “無影錘”助飛機加速

飛機要突破音速不易。但科學家發現,只要飛行時在其尾部氣流中注入一點等離子氣,就可以大大減少阻力。

空氣是堵無形的大牆

空氣柔若無物,我們每天都在空氣中到處走動,從來沒有覺得空氣對我們走路有什麼影響,但是,若奔跑起來,就會感到有風迎面吹來。

而對於速度更快的飛機來說,空氣雖然托起了它的身軀,但同時也像大隊人馬一樣擋著飛機的去路,不但前面有大量的氣體分子對飛機撞擊,後面的空氣分子也會拽著飛機的“褲腳”,飛機要想在這“千軍萬馬”中橫衝直撞,必須具備足夠的力氣(燃油提供的能量)。這還是對於低音速飛機來說的,對於超音速飛機來說,就不只是奮力擺脫空氣糾纏的問題了。

跳水的人知道,接觸水時若速度太快,姿勢又不當,會被“溫柔”的水打暈,速度更快的懸崖跳水,姿勢掌握不好的話,跟跳樓沒多大區別。由此可見,即使是更“溫柔”的空氣,如果飛機的速度非常快,空氣也足夠對飛機形成猛烈的撞擊,這就是飛機的速度一旦接近340米/秒的音速時,為什麼會感覺空氣像牆一樣擋在前面。飛機穿過這堵牆時所引起的震動和巨響足以震碎附近的門窗玻璃。傳說一個養雞場的上萬只雞就被低空超音速飛行的飛機給震死了。這足以證明空氣牆和飛機之間的撞擊有多劇烈。

然而一個偶然的機會科學家發現,一種巧妙的物質可以把阻礙飛機前進的空氣轟開。據分析,如果能成功用於飛機上,那將是飛行器劃時代的革新。

“无影锤”助飞机加速

“無影錘”擊碎空氣牆

那還是1970年代,當時正值冷戰時期,前蘇聯莫斯科無線電技術研究機構的一位研究者突發奇想,他想看看飛行器激起的波在等離子體氣體中會是什麼表現,於是進行了一些飛行物在等離子氣體中的實驗,實驗過程是保密的,但是結果卻流傳了出來,據說等離子氣體竟然能化開飛行器周圍的空氣錐形波,讓飛行物更自由地飛行。

之後這個消息被美國宇航局的研究者知道了,他們不會放過任何一個有利於飛行的想法,於是先進行了一個簡單的實驗:在高速飛行器的尾部向空氣流中注射一些帶電離子,結果發現這一點小招數竟然能大大降低尾部空氣分子拖拽的力量。

實驗效果很明顯,進一步的實驗展開了:

讓一個胡桃大小的彈子球以1000米/秒的速度穿過一個充滿低壓氬氣的透明管道,其中管道中的一部分氬氣被電離了,形成了等離子氣體。研究者用攝像機拍攝彈子球在進入等離子氣體前後會有什麼現象。結果是令人震驚的,在彈子球進入等離子體之前,其周圍有錐形波,但是一旦進入等離子氣體中之後,就像傳說中的摩西分海(聖經《出埃及記》中記載,摩西率領以色列人逃出埃及,途中遇到紅海,摩西伸杖,海水分開,現出一條路面,讓以色列人順利過海)一樣,等離子氣體竟然把錐形波驅趕到了前方很遠的地方,為彈子球提供了飛行的自由空間。

這個現象不論對航空工程師還是等離子體研究者,都很有意義。不過航空工程師們更關注的是等離子體氣體對飛行會起多大作用。觀察和分析的結果是,在1000米/秒的超音速下,等離子氣體可以減小氣體阻力的30%!要知道,航空工程師們常常為了減少1%的空氣阻力而費盡九牛二虎之力,而1%的阻力減小就意味著飛行器可以大大提高飛行速度或者多承載10%的重量,30%的阻力減小對航空工程師有多大的吸引力就可想而知了。

進一步的研究更令人興奮,等離子體氣體不僅能夠大大減小超音速飛行器的飛行阻力,還能明顯減小低於音速飛行的飛機的阻力,讓飛機大大提速,甚至一步達到超音速!等離子氣體還能影響亞音速飛機周圍的氣流形狀,從而利用氣流形狀的改變來控制飛機的方向和航線。因此,有工程師認為,以後飛機的副翼等操縱面可以不要了,只要給每架飛機配個等離子體發生器就可以了。

不僅如此,用等離子氣體包裹的飛行器對雷達電波來說是隱身的,這是軍事領域最感興趣的地方,有這樣的飛行器,執行秘密任務就可以神不知鬼不覺了。

“无影锤”助飞机加速

我們還未了解等離子體

有意思的是,儘管有關這方面的實驗做了不少,航空科學家和研究等離子體的科學家共同努力,至今也還沒有徹底弄清楚為什麼等離子體對飛行器激起的波有如此大的作用。大體的感覺是等離子體改變了飛行器周圍空間的介質,讓飛行器能更自由地飛行。至於為什麼會這樣,他們解釋不清。

等離子體的行為本來就非常怪異,這一點等離子體專家們很清楚:等離子體由於複雜的電現象,會讓位於其中的物質呈現出怪異的性質。例如電流在等離子體中的傳播會形成細絲,如果有相距不太遠的兩股電流同時在等離子體中傳播,所形成的這兩股細絲還會相互旋轉並纏繞在一起,好像形成了類似DNA的雙螺旋結構。而空氣分子一旦被電荷附著之後就不再有相互之間的密切聯繫了,很容易散開。肯定是等離子體改變了飛行器周圍空氣的性質,至於具體是如何改變的,還需要繼續探索。

不管什麼原因,等離子體能大大改變飛行器的運動這一點是板上釘釘的事了。科學家目前想的是,如何用盡量少的能源,給飛機或航天飛機之類的飛行器裝上有效的等離子體發生器,要知道,製造等離子體也需要耗費大量能源的。不過這方面的研究還處於保密階段,我們只能待到等離子體飛行器面世時,才能目睹它的風采。


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