会“出汗”的超声速飞行器

高速飞行的飞行器，在飞行过程中会与空气剧烈摩擦，产生上千摄氏度的高温。这样的温度，足以损坏或熔化飞行器。

人类通过皮肤出汗，可以带走身体过多的热量，维持体温恒定。那么，能否让飞行器模仿人体“出汗”，来解决高温难题呢？会“出汗”的超声速飞行器，能经受住高温的“烤”验吗？

极速飞行要翻越两座“大山”

自飞行器诞生以来，人们对飞行速度的追求就从未停止。当飞行器的速度达到或者超过声速时，其前方的空气被一层一层地压缩成一堵密度很高的“空气墙”，形成激波（又称“冲击波”）。这使飞行器受到的阻力急剧增大，速度衰减并剧烈振荡，出现声障。

飞行器要想突破声障，必须耗费成倍的能量。因此，工程师需要重新设计飞行器的气动布局，以减小阻力；机身所使用的材料，也必须更加结实，而且能耐受一定的高温，否则飞行器的结构就可能遭到损坏。

随着飞行器外形的改进和航空发动机性能的提升，突破声障早已不是难题。然而，当飞行器以如此快的速度飞行时，周围的高速气流会与飞行器发生强烈摩擦，飞行器表面的空气温度会急剧上升，产生“气动热”。

随着飞行器飞行速度和飞行时间的大幅提高，“气动热”在极端条件下引起的高温、高热流，会大大超过材料的耐温极限，同时也会引起飞行器内部温度升高，使舱内工作环境恶化。

当飞行器速度达到3倍声速时，其前端的温度可达300多摄氏度；当速度达到8倍声速时，飞行器表面的温度则会升至上千摄氏度，这超过了绝大多数材料的耐受温度。

这种随速度呈指数增长的“气动热”，足以将飞行器烧毁，即出现热障。如何高效散热、突破热障，是当前超声速飞行器要翻越的另一座“大山”。

飞行器也能“出汗”降温？

植物通过蒸腾作用降温，人体通过皮肤出汗带走多余热量，那么，能否让飞行器模仿植物的蒸腾作用和人体的出汗，来缓解“气动热”带来的高温难题呢？答案是肯定的。

研究人员在飞行器的高温部位，嵌入形状类似汗腺的微小通道网络；利用压力泵，可将飞行器自身携带的冷却剂注入高温热气流内；制冷剂在从多孔防护层流向飞行器表面的过程中，可以连续吸热，从而阻断“气动热”对飞行器表面的热侵蚀，并形成有保护作用的气膜层。这样可以弱化飞行器壁面与高温主流流体的直接换热，使飞行器表面的温度得到有效控制。这种冷却方法就是航空航天领域常用的“发汗冷却”。

可重复使用且防热效率高是“发汗冷却”显著的优势。从理论上讲，只要系统提供足够的冷却剂，“发汗冷却”系统就可使饱受“烤”验的飞行器实现长时间的稳定工作。当飞行器的制冷剂耗尽后，只需要重新补充制冷剂便可再次对飞行器进行冷却。

根据这些优点，“发汗冷却”可用于飞行器的头锥、发动机喷管（使气流降压增速的管道）喉部、发动机燃烧室等高热流部位的温度控制。

植物蒸腾作用和人体蒸发散热，启发研究人员设计了能“出汗”的超声速飞行器。大自然是一个充满智慧的世界，它是一本无尽的教科书，为我们提供了无数的生活启示。

文章来源：《知识就是力量》

（责任编辑：嵇刊）