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什么是音障、热障和漩涡?
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航空与航天设备展厅
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1、音障

音障是飞机的飞行速度接近音速时,进一步提高速度所遇到的障碍。空气是可以压缩的。飞机在飞行过程中,不断对空气产生新的扰动,这些扰动引起的压强变化会在飞机前方积累,从而导致空气密度发生变化。密度增加的幅度在不同的飞行速度下是不同的。在0.3倍音速以下,它的增加约在5%左右,因此可忽略不计。当速度进一步提高以至于接近音速时,由于飞机对前方空气扰动导致的压强变化会层层积累,于是在飞机前面,空气密度会急剧增大。而当飞机以音速飞行时,由于扰动的传播与飞机运动速度相同,这样每一个扰动相对飞机来说就不再向前传播,而是依次叠加在飞机头部,造成扰动波的集中,形成一个波面。这时飞机与前面的空气骤然相遇,引起剧烈的碰撞,空气遭到强烈的压缩,密度急剧增大,仿佛一面致密的空气墙壁挡在飞机的面前。这就是所谓的激波。空气在通过激波时,会产生一种特别的阻力,即激波阻力。

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飞行速度在音速附近时,激波阻力最大,它可能消耗发动机全部功率的3/4,这时再提高飞行速度就十分困难。当飞机超过音速时,这些阻力便会大大衰减。为了突破音障,人们采取了后掠翼、面积律等先进的气动布局;同时喷气发动机的改进也获得了更大的推力。1947年,美国的X-1火箭飞机首次实现了超音速飞行。20世纪50年代初,美国、前苏联、英国等研制出了实用超音速战斗机。

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2、热障

热障是当飞机的飞行速度超过一定界限时因高速气流引起机体表面温度急剧升高而遇到的障碍。飞机在飞行时,机体表面与空气强烈摩擦会产生热量。如果速度低于一定值,产生的热量不大,很容易散发掉。当速度超过这个值时,产生的大量气动热来不及散发,于是引起机体表面温度急剧升高,并因此产生许多新问题。飞机的飞行速度越高,加热越严重,导致机体材料结构强度减弱,刚度降低,使飞机外形受到破坏,甚至发生灾难性的颤振。一般认为,飞机出现热障的速度段在马赫数2.2(即2.2倍音速)以上。对于要突破热障的飞机,必须采取防热措施,如采用耐热材料、加装隔热设备,安装冷却系统等。

热障的出现使空气动力学诞生了一个新的分支学科──气动热力学。它主要研究气动外形、飞行速度、边界层、大气环境等因素对飞机加热的影响,并为突破热障提供飞机外形设计指导。1956年9月27日,美国的X-2火箭飞机在试飞中首次突破了3倍音速大关,达到3.2马赫,首次突破热障,但不幸出现了事故导致坠毁。目前,突破热障的代表机型主要有前苏联米高扬设计局研制的米格-25战斗机和美国洛克希德公司研制的RS-71“黑鸟”战略侦察机。

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3、漩涡

旋涡是半径很小的圆柱在静止流体中旋转引起周围流体作圆周运动的流动现象。一般旋涡内部有一涡量的密集区域,成为涡核,其运动类似于刚体旋转。在涡核的外部,流体的圆周速度与半径成反比;在内部,则与半径成正比,涡心上的圆周速度为零。在自然界中,旋涡是一种极其普遍的现象。小至分子、原子尺度上的量子涡,大至光年量级的银河系螺旋结构。在我们日常生活中,也可以见到许许多多人们熟悉的旋涡:下落树叶的旋转飘落、河水遇到障碍物形成的旋涡以及小旋风、台风、龙卷风等。

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旋涡也是飞行器绕流中的重要流动现象,对飞行器的飞行有重要影响。在定常流动中,涡轴与气流速度方向一致的涡线为自由涡,否则为附着涡。旋涡在飞机气动部件的外部绕流中经常出现:围绕机翼的环流是旋涡;翼尖自由涡是一种旋涡;湍流边界层内包含大量的小旋涡;机身后部绕流中也存在大量旋涡。有的旋涡中蕴含着很大能量,中心区压力很低,会导致奇特的向上吸力效果,从而可产生升力。有记录显示,龙卷风可把人提升到100米高,一捆谷物被提升400米高,小物体被提升的高度甚至可达65千米。于是,人们开始研究如何利用旋涡能量产生升力,由此也形成了空气动力学的一个新分支──涡动力学。英法联合研制的“协和”式超音速客机就是利用涡升理论的实际成果。

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文章内容仅供参考 (投稿) (5/28/2009)
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