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    风雷洞天

    时间:2020-12-10 08:02:48 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站


      他的名字和中国的航天事业紧密地联系在一起。
      各种航空航天器飞天前都要在他设计、建造的风洞基地里经历风与热的考验。
      他就是与看不见的空气打了一辈子交道、有“中国航天事业的先行官”之誉的空气动力学家庄逢甘院士。
      2007年2月28日凌晨2时05分,从新疆乌鲁木齐开往阿克苏的一列火车在行驶过程中被大风吹出了轨道,11节车厢被吹得七零八落,甚至掀翻在地。消息传来,很多人都觉得难以置信:多大的风能把一列满载乘客的列车吹翻呢?
      这一突发事件成了中央电视台《大家》栏目对庄逢甘院士采访的切入点。然而,在跟风打了一辈子交道的中国科学院院士、空气动力学家庄逢甘眼里,解释这场破坏力极强的、对于大多数人来说似乎隐藏着无数玄机、令人们的心中充满了问号的狂风,只是一个再简单不过的问题(图1)。
      
      
      
      (1)图组:吐鲁番的狂风吹翻了火车,这在多数人听来似乎不可思议的事儿,经庄逢甘从空气动力学的角度加以解释,就没有什么可大惊小怪的了
      
      庄逢甘:其实很简单。气流相对于火车,是有一定的速度和角度的。在火车上面,气流由于没有阻挡,速度比较快,压力也就比较小;而在火车下面,由于有一定的阻挡,气流速度相对就慢,压力也相对较高,这样,就产生了一个气浮的作用。再加上车身受风一面对气流形成相当大的阻力,这个阻力会对车体重心形成一个力矩,相当于从侧面在推它。所以这样就容易翻个儿。
      主持人:您研究的尽管是应用在飞机、导弹,航空航天领域的这些技术,实际上在我们生活当中也是随处可见的。请您简单讲一讲到底什么是空气动力学?
      庄逢甘:空气动力学,简单说就是研究空气的流动、跟物体之间相互作用的。实际上,它是涉及整个宇宙,地球大气甚至气象的一个范畴很大的研究领域,它背后的复杂程度是非常高的。
      主持人:可是,空气啊、风啊,有时候是看不见摸不着的。那如何研究呢?
      庄逢甘:正是这样,所以要建造并借助于风洞。
      风洞是一种能产生人工气流的管状设备,用来模拟飞行器在空气中运动状态的试验装置。它是空气动力试验的主要手段,从其诞生的那一刻起就与人类的飞天梦想紧密相关。尽管从外表上看,风洞只是一些形态各异的巨型管状设备,但在它的内部却别有洞天,所有飞行器在上天之前,都要做成模型在风洞里吹风,测量其表面承受的空气压力,以便设计出最佳的外形。因此,风洞被人们称作“飞行器的摇篮”(图2)。
      
      
      (2)不同种类的飞行器在定型前,都要在风洞中进行气动试验。图为正在进行气动布局试验的某新型战机
      
      事实上,在庄逢甘的风洞里,的确藏着我们普通人看不见、摸不着的东西,那是许许多多关系着我们国家航天事业和国防安全的重要机密。而当这些风洞里结出的果实出现在世人面前的时候,往往会产生石破天惊的效果。
      
       争气“枪”
      
      1980年5月9日,新华社受权向全世界发出公告,中国即将向太平洋某海域发射远程运载火箭。一时间,全世界都把目光投向了预定溅落点那片半径70海里的海域。因为,射程如此之远的运载火箭只要换个载荷,就有了另外一个名字:洲际导弹。
      庄逢甘:8000公里以上的射程。从国土内发射,一直打到太平洋里去,全世界都在盯着你。打好了还好,一下打坏了,有人会笑话你。这是很严肃的一个问题。所以关于这个问题,一定是只能保证成功。
      1964年10月,中国成功爆炸了第一颗原子弹后,由于没有可以携带核弹头的远程运载工具,缺少真正能够构成威慑的打击能力,因而被一些敌视我们的国家嘲笑为“有弹无枪”。为此,包括庄逢甘在内的国防第五研究院的专家们一直在致力于战略导弹的研制工作。1966年,中国成功发射中近程导弹,初步解决了“枪”的问题,接下来要做的就是提高“枪”的射程。谁知,后来的几次远程导弹试射都遭遇了失败。这是由于远程弹道导弹的飞行轨道需有一个先出大气层、再入大气层的过程,在入大气层时由于导弹与大气的剧烈摩擦,而当时我们的隔热措施不行,因此导弹上最核心的部件——弹头,被高温烧得坑坑洼洼。原子弹是很“娇气”的,如果不解决好这个问题,真到战时导弹就有可能提前响或打不响。为此,1975年,时任航天部副部长的钱学森发动了一场全国总动员的攻坚战,将其命名为“淮海战役”,并点名让庄逢甘担任前线总指挥。
      庄逢甘:还有一个问题。导弹在设计时是能保证其稳定性的,但经长途飞行再加上剧烈摩擦燃烧,有可能出现变形。但是,即便出现变形也应保证它的稳定。当时钱老提出了两条任务,一条不烧坏,第二不翻跟头。
      主持人:那当时您是怎么考虑的呢?
      庄逢甘:我想采用一些复合材料,干脆让它烧。但烧也要有个尺度,不能让它烧得太厉害了,烧太厉害了就把里头东西烧坏了……
      对于在空气中飞行的物体来说,烧坏和翻跟头是经常联系在一起的两个致命问题。在希腊神话里,有一个名叫伊卡洛斯的年轻人凭借蜡和羽毛做成的翅膀飞向天空,却因为飞得太高,被太阳烤化了黏合翅膀的蜡,于是一个跟头栽进大海,丢掉了性命。而在现实的航空航天历史上,美苏两国都曾发生过由于防热问题没有得到解决引发的严重事故,其中最著名的就是哥伦比亚号航天飞机因隔热瓦出现问题后导致的失事。
      主持人:那当时我们采用过什么办法?试验了多少种材料呢?
      庄逢甘:在这个问题上就能充分体现出我们社会主义制度的优越性了,我们确确实实是动员了全国的力量。虽然在试验中仍需本着节约的原则,能够少烧尽量少烧,再通过比较,如有的材料1秒钟烧掉1毫米,而有的材料1秒钟只烧掉0.5毫米,当然后一种就比前一种强了。此外,又由于不同的材料性质不同,同样的材料由于加工工艺的不同其特性也会出现差别,因此到底试验过多少材料实在是不胜枚举。
      作为一名空气动力学家,庄逢甘的主要任务就是用风洞来考验这些材料的防热性能。其中,电弧风洞是这次“淮海战役”的主战场,它可以制造成千上万度的高温,模拟弹头在天上的烧蚀情况。经过数以千计的试验之后,庄逢甘他们终于为娇气的洲际导弹弹头穿上了一层足以抵御上万度高温、独具中国特色的外衣(图3)。但是,防热材料的成功研制并不意味着“淮海战役”大功告成。事实上,风洞最大的用途还是为飞行器的外形设计提供相关参数,而庄逢甘他们需要做的,就是借助于风洞来检测已设计出的运载火箭气动外型的飞行稳定性(图4)。不出所料,后来在导弹试射期间,很多国家的飞机和军舰都在我们的远洋舰队周围虎视眈眈,期待着从天而降的意外收获。
      
      
      (3)经风洞内反复试验后,穿上了一层足以抵御上万度高温、独具中国特色外衣的运载火箭载荷舱
      
      (4)火箭气动外形风洞实验,它是火箭按设计弹道飞行的必要保证
      
      主持人:那么钱老提出的第二个要求“不翻跟头”又是如何解决的呢?
      庄逢甘:对于导弹气动外形和飞行弹道的问题,这个说起来简单,只要沿着整个弹道一步一步算清楚就行了。如导弹飞了多远、防热材料烧了多少,弹体会出现什么样的变化,这种变化对弹道又会造成什么样的影响等等,一段一段地算就行了。
      主持人:这是一个非常复杂的计算过程,它的烧蚀是很均匀的吗?
      庄逢甘:不会那么很均匀。随着高度不同,空气密度、压力都会不同,温度也会不一样。因此,必须在风洞中进行测试,而且只能做部分的模拟试验,要全弹道的模拟现在还做不成。
      ……
      正如当时一位直接负责这项工作的领导所言:搞一个风洞,跟搞一个导弹一样地复杂。但是,人家只记得那个导弹。而庄逢甘和他的团队,所扮演的是幕后无名英雄的角色。但即便是把地面上能做的都做了,在试验前庄逢甘对成功也只有八成的把握。一旦出现意外,如打飞了、打偏了,就只能由在弹头溅落点的测量船队和护航舰队去弥补了。反正有一条,就是不能让别有用心的国家把数据仓捞去。
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