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让飞行速度超过5倍声速 张德良教授揭秘高超声速飞行技术

 

    1947年10月14日,美国空军上尉查尔斯·耶格驾驶X - 1,在12800米的高空飞行,速度达到1278公里/小时。人类首次突破了声障,进入超声速飞行时代。而今,高超声速飞行也将来了。中国科学院力学研究所研究员张德良,参加广州“院士进校园”活动。9月25日,在广州增城第一中学,他带来一堂《一小时内到达全球———我国高超声速飞行技术》的科普讲座。据张德良介绍,随着我国对于高超声速飞行技术的研究,也许有一天,两个小时从北京飞到纽约将不再是幻想。

 

    未来从北京到纽约可能只需要两个小时

    什么是高超声速飞行?“高超声速飞行是指飞行器飞行速度大于5倍声速的飞行。”张德良介绍,现在世界的超声速飞机可以达到超过声速两倍多一点,但现在飞行器的飞行速度已经无法再快了。“但我们人类总是想着要飞得越来越快,要突破极限,所以就想到了高超声速飞行。”

    高超声速飞行器是本世纪正在研发的最新前沿科技项目。高超声速飞行器的飞行速度要高于5倍声速,即5马赫(M H CH ),或接近6000公里/小时。高超声速的英文词是“hyperson-ic”,这个词还是我国著名科学家钱学森先生,在上世纪40年代首先提出的。同时,他还提出了高超声速滑翔飞行弹道,即“钱学森弹道”。“这个飞行速度如果一旦实现,那么我们从北京到纽约,只需要两个小时。”憧憬到未来可能出现的这种场景,张德良很开心,“我们完全可以在北京吃完晚饭,然后坐飞机去纽约工作,工作完了,当天就可乘飞机回北京,这样全世界就好比生活在一个地球村里。”

    中国起步虽晚 但研究水平“紧追美国”

    “应该说,在高超声速飞行这领域,起步最早的是美国;其次是俄罗斯、中国。因此,美国的总体水平和研制技术是最高的。”张德良坦言,美国在2013年进行的X-51A高超音速飞行器验证机是迄今为止最接近成功的高超音速飞行器项目。随后,美国又继续试飞一系列新型高超声速飞行器,进一步拉大了其与世界其他国家的差距,“从整体技术而言,美国确实领先于其他几个国家。”张德良说,中国在高超声速飞行技术研制方面起步虽晚,但经过这些年努力,研究水平也不差,可以说是在“紧追美国”。

    “这几年,伴随着中国经济和综合国力的不断提升,中国正在尖端科技上逐步取得重大突破,这也是中国为何能在短期内紧跟美国试验高超声速飞行器的一个重要原因。”张德良谈及中国在超高声速飞行研究上的优势有几个方面:首先,经过几十年的不断发展,中国已经具备了完整的工业体系,几乎所有的工艺技术都可以做到;其次,人才培养和储备方面十分充足,年轻的科技人员已经能够顺利完成“接力”;最后,“特别是经过几十年的经济发展,国家富裕了,现在国家对我国的科研项目给予的支持比原来多很多。”张德良表示,“这样,科学家们少了后顾之忧,可以更充分地发挥自身作用,做想做的科研项目。”

    研制高超声速飞行器

    先要解决材料的防热问题

    从科技的角度来看,高超声速飞行器融合了航天和航空的诸多前沿技术。但是,从军事战略角度上看,高超声速飞行技术具有惊人的威力和巨大的应用前景,可以彻底改变当前的战略思维,形成完全新型的战略战术!“实际上,高超声速飞行技术确实就是首先从军事需要的角度提出的。我们都知道,现在很多国家都已掌握核武器技术,核武器威力巨大,破坏力也惊人,但谁也不敢轻易使用。一旦拥有核武器,它平时的维护、保养甚至报废都有一连串的麻烦,都需要花费很高的成本。所以,人们就想,可不可以用一种常规性武器来代替核武器:它的威力能达到核武器效果,但没有严重的核辐射,维护和保养的成本也很低,这就是提出超高声速飞行技术的基本出发点。”张德良说。

    美国是最早提出“高超声速飞行”概念的国家,美国把该技术视为在未来“能改变战局”的关键技术,X-51A、X -37B和H T V -2都是发展该系统的重要组成部分,即在1小时内对地球上任何一处目标实施精确打击。不难看出,高超声速飞行技术是有可能颠覆军事战略与民用航空航天领域的一项技术。不过,要达到这样一个飞行速度可不是一件简单的事情。“现在飞得最快的飞行器是美国的SR-71‘黑鸟’侦察机,它的时速可以达到声速的3倍,但即便是这样,它飞行完一次以后,飞行器也基本报废了。”张德良表示,因为目前无论哪种飞行器,当超过声速2.2到2.5倍的速度进行飞行时,其表面都会因为机身周围空气被强烈压缩,以及机身与周围空气剧烈摩擦而产生高温,而且温度还会随着飞行速度的提高而急剧上升。“所以,如果要研制高超声速飞行器,首先要解决的就是高超声速飞行器材料的防热问题。”

    我国成功研制首个国际超大型复现高空高超声速飞行条件激波风洞

    任何飞行器实现飞行前,都必须在风洞进行模拟实验。当飞行器进行高超声速飞行时,会遇到各种复杂的高温气动现象。这些复杂现象已经超出了经典气体动力学的理论范畴,颠覆了传统风洞实验相似模拟准则,因此需要发展能够复现高空高速飞行条件的风洞实验技术。“迄今为止世界上最大、性能最先进的高超声速激波风洞就在中国,也是我国自主研制大型、先进科研装备的先例。”张德良说,这条总长为265米的复现高空高超声速飞行条件激波风洞(JF12),就在北京怀柔雁栖湖畔钱学森国家工程科学实验基地。它可以提供强大的驱动力,能在地面上构建一个25-50公里高空,飞行器以5-9倍的声速飞行时的气流条件。

    “飞行器研制成功前,不可能马上在天上试验,要研制高超声速飞行器,首先就要在风洞里构建出它在高空飞行的气流条件。”张德良介绍说,中科院力学所的相关研究团队利用独创的氢氧反向爆轰驱动方法,通过系列激波风洞创新技术,短短4年时间,就成功研制了首个国际超大型复现高空高超声速飞行条件激波风洞。这种氢氧反向爆轰驱动技术可以克服传统技术的弱点,在风洞试验段里,出现25-50公里高空,5-9倍声速的高超声速飞行条件,而且可以提供超过100毫秒的试验时间,这样就能测到比较准确的飞行数据。这项增强国人自信心和自豪感的重要成果,还荣获2016年度国家技术发明二等奖和2016年度中国科学院杰出成就奖。

    链接

    广州“院士专家校园行”由广州市科协和广州市教育局主办,活动依托中国科协的网络资源和人才智力资源,邀请中国科学院、中国工程院以及全国各高校、科研院所的优秀科技工作者,包括两院院士(驻穗院士)、高校教授(教学名师)、“千人计划”专家、自然科学类学(协)会等科技社团专家、企业科技研发专家组成广州科学传播专家讲师团,走进广州地区各中小学校,面向中小学生举办科普讲座。

    进展

    中南大学研发出耐3000℃烧蚀新材料

    或可造高超声速飞行器关键部件

    据新华社8月21日报道,中南大学粉末冶金国家实验室黄伯云院士团队通过大量实验,开发了一种新型的耐3000℃烧蚀的陶瓷涂层及其复合材料,这一发现有可能为高超声速飞行器的研制铺平道路。中南大学粉末冶金研究院熊翔教授说,高超声速飞行意味着其飞行速度等于或大于5倍声速,即至少每小时6120公里。在如此高的速度下,两小时内便可完成从北京到纽约的飞行旅程,但前提是飞行器的关键结构部件能够承受住剧烈的空气摩擦和高达2000-3000℃的热气流冲击而不被破坏。中南大学新发现的超高温陶瓷涂层及其复合材料可为上述部件提供较好的保护。

    这种陶瓷是一种多元含硼单相碳化物,具有稳定的碳化物晶体结构,由Zr、T i、C和B四种元素组成。研发团队采用熔渗工艺将多元陶瓷相引入到多孔炭/炭复合材料中,进而获得一种非常有潜力的新型Zr-T i-C-B陶瓷涂层改性的炭/炭复合材料。“由于这种超高温陶瓷兼具了碳化物的高温适应性和硼化物的抗氧化特性,使上述涂层和复合材料表现出优越的抗烧蚀性能和抗热震性能,是高超声速飞行器关键部件极具前途的候选材料。”熊翔说。团队研发的研究成果于6月15日在《自然·通讯》(N atureCom m unications)上发表,中南大学粉末冶金国家重点实验室为本论文第一完成单位,熊翔教授为第一通讯作者,曾毅博士为第一作者。合作单位英国曼彻斯特大学对该材料进行了表征和分析研究。

   (南方都市报 尹来 钟锐钧 翁思成

 

 

 

 

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