演繹inSite 第二十八期節目
高超音速飛行器的顏值
崔凱，中科院力學研究所研究員
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以下為崔凱演講文字稿：
（根據演講現場整理，基於原意有所刪減，完整版請前往演繹inSite視頻專欄收看）
大家好，非常感謝演繹inSite平臺，我是來自中國科學院力學研究所的崔凱，今天我演講的題目是：高超音速飛行器的顏值。
什麼是高超音速？
交通工具的發展一直伴隨著人類文明的發展，對於速度的追求是我們的首要目標，在這個目標的牽引下人們從馬車時代、汽車時代，發展到現在的高鐵和飛機時代，目前最快的交通工具就是飛機，它的速度大概是每小時超過900公里。
乘坐飛機從北京飛到紐約大概需要13個小時左右，這個時間其實並不算長，但是長途旅行下來我們會感到很疲憊，我想很多人在乘坐飛機的時候會有這樣的想法，
我們能不能飛得更快一些？如果能的話我們到底能飛得多快？為了解答這樣兩個問題，我想先介紹一個概念，就是今天演講的主題之一，高超音速。 （來源：Pixabay）
飛機飛行速度的度量單位有一個專用的標準，就是聲音的速度，我們稱之為馬赫數。馬赫這個詞是為了紀念奧地利科學家馬赫而命名的，一個馬赫數代表一倍的音速，如果按照馬赫數來度量的話，現有的飛機速度大概是在馬赫0.8到0.9之間，我們稱之為跨音速飛行，對應真實速度大概是每小時900公里。
而高超音速這個概念是我國非常著名的科學家錢學森，也是我們所第一任所長，在1946年提出。高超音速就是指飛行的速度達到或者超過五倍音速以上，我們可以設想一下，如果乘坐這樣一種飛機，用五個馬赫飛行，從北京到紐約大概只需要兩到三個小時，旅行時間將被大幅壓縮。
我想很多人會提這樣一個問題，高超音速飛機應該是什麼樣子？會不會和我們現有的飛機具有相似性呢？這就是我過去十幾年主要的研究領域，我想先介紹一項工作，這個工作我們已經進行了將近十年的時間。
圖 | Science China封面（來源：Science China）
在2018年的時候，我和我的研究生們在Science China雜誌上，以封面形式發表了這篇文章，這篇文章很短只有不到三頁紙，但是一經發表以後得到了學術界和媒體的大量關注。除了我們國家，包括美國、英國、歐洲、澳洲、俄羅斯等等，差不多有一百多家媒體對它進行了報道和轉載。
這裡有一個反映社會分享度的AM指數，我們這個指數達到了212，目前在這本雜誌歷史上所有的文章裡排名第二位，這本雜誌是由德國最著名的出版商斯普林特公司出版的，據他們的統計，在整個2018年度這篇文章的下載量達到了6400多次，在他們物理領域所有期刊的所有文章裡排名第一，而且從這個分佈可以看出來有超過75%的下載是來自於中國以外的50多個國家和地區。
圖 | 部分下載地址來源（來源：Science China）
為什麼這篇文章會得到大家的關注？因為在這篇文章裡我們提出了一種全新的未來高超音速飛機的設計的方案，雖然僅僅只是一個概念的方案，但是迅速引起了很多很多的關注，我想今天我的演講，主要就是圍繞這樣一個話題來展開。
一架“高顏值”飛機應該具備哪些特徵？
在演講的題目裡，我用了“顏值”這樣一個比較時髦的網絡詞彙，是因為飛機和人具有很強的可比擬性，比如飛機的發動機相當於我們的心臟，飛機的結構系統相當於我們的骨骼，飛機的燃料就相當於我們的血液，很自然一個飛機的外形就相當於一個人的顏值。
對於飛機而言它的顏值主要體現在性能上，首先我想通過一個簡單的受力分析，來看一下什麼是一架高顏值的飛機。
一架飛機無論多麼複雜，飛得多麼高多麼快，在空中基本的受力只有四個。首先一定會有重力，為了平衡這樣的重力而讓飛機不掉下來，空氣會對它產生一個氣動升力，在產生升力的同時會產生一個阻力阻礙飛行，為了克服這個阻力發動機會提供一個推力，這樣一架飛機在空中就可以平衡地飛起來。
有了這樣的基本概念以後，會發現其實整個飛機的升力和阻力都和它的外形直接相關，可以看到飛機的外形在設計裡面佔據一個多麼重要的地位，那根據這樣一個基本的受力分析，一架高顏值的飛機應該具有哪些基本的特徵呢？
首先一架飛機的用處就是為了遠程的載人或者載貨，所以要保證一定的裝載量，也就是高容積；裝完人和貨以後它的重量會大大增加，為了平衡自重一定要有一個高升力；此外，我們還希望阻力小一點，這樣可以飛得更快，使用的油耗更；在氣動裡經常會用升阻比這個值，也就是氣動升力和阻力的比值，
升阻比越大飛機就飛得就越遠。因此一架高顏值飛機會總結出來一個三高的特徵，就是高容積、高升力和高升阻比。飛機越瘦飛得越快？
我想通過對整個飛機發展史的簡單回顧，來看一下飛機的顏值是怎麼樣通過“整容”來一步一步提升的。
圖 | 萊特兄弟的第一架飛機（來源：Pixabay）
1903年，美國的萊特兄弟發明了世界上第一架飛機，那個時候近代空氣動力學理論還沒有完全地建立起來，因此他們的設計很多時候是偏向於直觀的理念，但是他們也認識到了飛機的升力主要是由機翼產生的，機翼越長面積越大升力就越大，但是如果把機翼做得太長它會彎曲甚至折斷，因此他們有一個巧妙的做法，把有限長度的機翼分成很多層，既可以保障強度也可以大幅地增加升力。
圖 | 安-2雙翼飛機（來源：Pixabay）
實際歷史上最多時候曾經出現過六層甚至七層的機翼，而雙翼飛機現在偶爾還能看到，它的生命力很頑強，從早期到現在差不多有一百多年的歷史。
比如說前蘇聯的安-2飛機，在歷史上它的生產時間就超過了40年，這種飛機因為機翼面積大，它在低速飛行的時候升力非常大，所以對跑道的要求長度就比較小，安-2飛機起飛和降落只需要180米左右的跑道長度，但是它也存在一個問題，一旦速度加快以後這種雙層翼會帶來氣動阻力的大幅增加，因此就不再適合速度更高的飛行。
1930年代單翼飛機開始慢慢替代早期的雙翼飛機，一直到現在都是飛機外觀上的主流設計。
從1970年代開始，以波音707為代表，直到現在的空客380包括波音787等等，飛行的速度幾乎沒有什麼增加，基本都是維持在馬赫0.8至0.9之間，但是裝載量有了大幅的提升，因為空氣動力學家花了很多的力氣去做機翼形狀外形的優化，用更輕的材料生產出升力更大阻力更小的機翼，現在和40年前比起來，它的裝載量大概能提升四到五倍。
雖然這種飛機已經很成熟了，但是人們從來就沒有放棄過對速度的追求，從上個世紀50年代開始，人們就開始探索超音速飛行了，限於當時的發動機條件，當時的超音速飛行一般定位在兩倍到三倍的音速之間。
1975年，英國和法國合作推出了協和式飛機，前蘇聯也推出了圖-144飛機，現在這兩架飛機都已經停運了，但是我們可以從它的整個外形上，推斷出當時的情況。
圖 | 圖-144飛機（來源：Pixabay）
一旦飛機開始超音速飛行，超音速氣流作用在飛機上，會出現一個比較獨特的空氣動力學現象，叫做激波，激波的出現會使飛機所受到的阻力會突然大幅增加，為了應對這種情況，就要改變外形來減小激波的阻力，因而超音速飛機的外形和現在常見的跨音速飛機有著較大的差別。
超音速飛機通常有較細長的機身、較尖的頭部以及大後掠的三角翼，這種外形設計非常適合於超音速飛行，但是在低速時候它的性能會比較差一些，尤其在起飛和降落的時候。
為了彌補這個問題，當時人們的做法就是在起飛和降落的時候，把發動機推力拼命增加，用推力的一部分分量來克服起飛和降落時升力的不足，但在這種情況下首先會導致油耗和成本增加，另外也導致起飛和降落時噪音會大幅度增加，實際上這是協和下馬的一個主要因素。
扁平機身的設計是無奈之舉
在最近幾年到十幾年間，隨著發動機技術大幅度往前推進，高超音速飛機已經開始慢慢地映入人們的眼簾，這是去年2018年波音公司提出的一個高超音速飛機的攝像外形。
圖 | 波音公司高超音速飛機（來源：波音公司）
這是今年的五月美國的Hermeus公司推出的一個高超音速飛機的外形，也許將來實際飛行的飛機和它們會有一定的差別，但是我們可以從中瞭解一些它們的設計理念。
圖 | 美國Hermeus公司高超音速飛機（來源：Hermeus公司）
可以看到它們的外形和現在的超音速飛機差別並不大，都是採用細長的機身，比較扁的機體 而且比較大的後掠的機翼形狀，採用這樣的方式一定程度上可以保證它比較好的氣動性能，但是必須要犧牲大量的容積需求。為了應對這個問題，這兩架飛機實際上被定位成高端的商務飛機，搭載的乘客大概是十到二十人，可能只有互聯網大鱷、石油大亨消費得起，我們普通大眾坐不起。
那為什麼必須要把飛機做成扁平形狀？
在高超音速平衡下，我用計算機模擬得到了圍繞一架飛機周圍的氣流壓力的分佈圖和飛機表面的壓力分佈的計算結果。圖中越偏紅色部分表示壓力越高，越偏藍色部分表示壓力越低，我們可以把飛機簡單地分成上下兩個表面，看看升力怎麼產生的。
圖 | 飛機表面壓力分佈模擬圖（來源：崔凱）
在飛行的時候飛機的下表面和氣流之間存在一個角度，這個角叫做壓縮角，有了這個角，高壓氣流作用在下表面上就會以一個向上的壓力抬飛機，這樣升力的主要分量就產生了。上表面我們分為三段，它的整個壓縮角從頭部開始慢慢減小，很明顯可以看到上面壓縮角大的時候壓力大，而這個壓力是反過來垂直往下作用在飛機上面，這時候會抵消掉一部分飛機的升力，隨著後面壓縮角不斷減小，顏色越來越偏深藍，它的升力就會大一些。
從中可以看到後面兩個壓縮角往下折完以後，它的容積會有比較大的犧牲，為了取得比較好的氣動性能，就必須要把它做成比較扁平的形狀。因此從這張圖可以很明顯地看到，升力、阻力和容積之間存在著非常強烈的矛盾關係，現在把高超音速飛機設計成一個比較扁平的形狀，某種程度上是一種無奈的選擇。
高壓捕獲翼可提高數倍機翼升力效率
這個問題實際上困擾了我很長時間，我一直在想有沒有可能通過一種跳出現有設計理念的新模式來改善它，好在大概在幾年前找到了這樣一個思路，我把它叫做高壓捕獲翼。
圖 | 高壓捕獲翼原理（來源：崔凱）
這兩張圖也是計算機模擬的效果圖，當上表面隆起以後，上方會有一個高壓氣流存在，如果在上面再給它增加一道薄薄的機翼，我把它稱之為高壓捕獲翼，就可以把這部分高壓氣流抓住來產生一些額外的升力，因為它的作用是抓住上表面這部分高壓，所以我把它叫做高壓捕獲翼。
之前幾年我們通過大量的理論分析，包括計算機模擬，
已經證明了採用這種高壓捕獲翼，可以比現有的常規機翼升力效率提升幾倍甚至十幾倍，因此在過去的時間裡我們一直在為它努力工作。前期工作主要是做計算機的數值模擬，在2016年我們決定開展一次原理性的風洞試驗，用了一個模型來驗證高壓捕獲翼的設計原理和設計方法。這個實驗是在亞洲最大的風洞群，綿陽的中國空氣動力學研究與發展中心的一米口徑的高超音速風洞做的，實驗方法就是把模型固定在風洞裡面，然後用一股高速氣流吹過它，利用模型和氣流之間的相對運動，來模擬一架飛行器真實飛行的情況。
在氣流吹過的幾十秒時間裡面，我們可以在不同姿態下測得它的升力和阻力，以及還可以用高科技的流場顯示設備來看氣流到底是怎樣流過飛行器的。
這是在俯仰的姿態下利用流場顯示設備給出的實際中氣流的流動結構，上面是我們用計算機模擬得到的結果，可以看到它們吻合得非常好，就是這樣的原理性實驗給了我們極大地信心，我們知道它的原理是可行的。
這是一個逐步演化的過程，在接下來幾年的時間裡，我們從這樣一個椎體開始，慢慢地加上一個翼，然後把翼做大一些，之後再做優化，最終就形成了文章裡的那樣一個外形，這個外形在2017年也進行了一次吹風實驗。
按照我們目前查到的文獻的結果，在這麼大的容積條件下還沒有一個飛行器現有的升力、升阻比能夠超過它，而且我們的指標遠遠地領先於現有構型的指標，或者說某種程度上我們已經做到了世界最好，當然我們還要再不斷往前去努力。
那以這個為基礎，我帶著我的研究生想象了一下未來高超音速飛機可能是什麼樣子，於是我們就做了這樣一個效果圖。
圖 | 高超音速飛機效果圖（來源：崔凱）
也許未來高超音速飛機會是這個樣子，也許不會是這個樣子，但是我們畢竟在努力，我很希望將來高超音速飛機是這個樣子，因為這是由我們中國人自己提出來的一種全新的設計方案，不過即便不是也無所謂，因為重要的是我們曾經為其努力過，因為我們一直都堅信，高超音速飛行會使我們飛得更快、更高、更遠，謝謝大家！
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