跨越升限的障礙

劉大偉

（河南 許昌 461141）

第五代戰(zhàn)機(jī)以“能力隱形、超音速巡航、超機(jī)動(dòng)性、短距起飛”的姿態(tài)出現(xiàn)在世人面前，在世界上少有為數(shù)不多的國家能夠研發(fā)這種4S戰(zhàn)機(jī)時(shí)，有些軍事強(qiáng)國國家開始坐不住了，為了爭奪將來的制空權(quán)開始準(zhǔn)備研發(fā)4S能力之后的下一代戰(zhàn)機(jī)。如今將戰(zhàn)機(jī)開發(fā)到 “能力隱形、超音速巡航、超機(jī)動(dòng)性、短距起飛”的4S，已經(jīng)是相當(dāng)完美的設(shè)計(jì)和技術(shù)結(jié)晶。但是現(xiàn)在的飛機(jī)包括戰(zhàn)機(jī)和民航客機(jī)都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是不能夠超越自身在大氣層某一高度升限的限制，一旦越過自身升限高度，飛機(jī)就失去控制開始顛簸。下一代戰(zhàn)機(jī)的設(shè)計(jì)和技術(shù)結(jié)晶的特色應(yīng)該是解決以前飛機(jī)在設(shè)計(jì)上遺留下的問題：不僅具有融合第五代戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)的4S功能，可以不受升限限制的在大氣層飛行，如果像火箭那樣既帶燃料又帶有氧氣，則可以自由出入太空，能夠跨越升限障礙遇到的顛簸問題。

在美國佬開發(fā)出航天飛機(jī)后，就沾沾自喜的認(rèn)為是個(gè)跨時(shí)代的進(jìn)步，航天飛機(jī)解決了宇宙飛船不能重復(fù)利用的問題，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，兩者相比沒有太大的區(qū)別，都是用火箭送到太空的，每做一次飛行之旅都要相同的準(zhǔn)備，并不是自己升空的。在航天飛機(jī)返回大氣層時(shí)必須控制好進(jìn)入的角度，角度的大小對(duì)進(jìn)入大氣層時(shí)與空氣的接觸對(duì)航天飛機(jī)有太大的影響，恰好的角度可以最低限度的減少對(duì)空氣的摩擦力產(chǎn)生的兩種結(jié)果，一是不至于使機(jī)身過于熱，二也不至于使航天飛機(jī)在高空中顛簸得過于厲害。還有新開發(fā)的X-37B可以多次使用的太空飛行器，與航天飛機(jī)相比也沒有新奇之處，也是靠火箭的力量進(jìn)入太空的飛行器，并不是自己直接進(jìn)入太空的，至于在返回大氣層期間是否遇見顛簸的老問題，現(xiàn)在還不可知，因?yàn)檫€沒做載人飛行試驗(yàn)。像這些依靠火箭做動(dòng)力進(jìn)入太空的飛行器，也可稱為載入式太空飛行器。

現(xiàn)在的4S戰(zhàn)機(jī)，雖然達(dá)到了人們的期望，可以“能力隱形、超音速巡航、超機(jī)動(dòng)性、短距起飛”，卻沒有解決飛機(jī)與生俱來的老問題，在大氣層中的升限問題，就是當(dāng)飛機(jī)在空氣中升到一定的高度時(shí)，機(jī)身開始顛簸，保持不了平衡，跨越不了升限的障礙。

4S之后的飛機(jī)在設(shè)計(jì)上，不僅有以“能力隱形、超音速巡航、超機(jī)動(dòng)性、短距起飛”的功效，而且能夠跨越升限的障礙。有趣的是，現(xiàn)在的飛機(jī)在跨越升限時(shí)，機(jī)身開始顛簸，像在空中做壓蹺蹺板保持不了平衡，但卻不會(huì)出現(xiàn)左右的擺動(dòng)，表明在目前在飛機(jī)的機(jī)身設(shè)計(jì)上做的還不夠完美。

克服飛機(jī)在跨越升限時(shí)的顛簸卻不會(huì)出現(xiàn)左右的擺動(dòng)這個(gè)問題，需要從飛機(jī)設(shè)計(jì)的幾何外形分析，飛機(jī)的幾何圖形在圖形上僅有一個(gè)縱切面，一個(gè)縱切面把飛機(jī)分為兩個(gè)外形完全像同的兩部分，無論高度如何的改變，兩部分的受力是完全相同的。因此要設(shè)計(jì)出能夠跨越升限障礙飛機(jī)，在幾何的外形設(shè)計(jì)上，不僅有一個(gè)縱切面，還要有一個(gè)橫切面和一個(gè)水平切面，一個(gè)橫切面是把飛機(jī)有頭和尾的幾何對(duì)稱，一個(gè)水平切面是把整個(gè)飛機(jī)有一個(gè)上半體和下半體的幾何對(duì)稱，具有三個(gè)幾何對(duì)稱面的飛機(jī)，在任何的高度都不會(huì)出現(xiàn)受力的不平衡。

現(xiàn)在的戰(zhàn)機(jī)在幾何設(shè)計(jì)上，頭部具有一個(gè)縱切面和一個(gè)水平切面，頭之后的不分在幾何上就像是有一個(gè)縱切面、卻沒有一個(gè)水平切面，在設(shè)計(jì)上屬于幾何的失衡。

現(xiàn)在的戰(zhàn)機(jī)在設(shè)計(jì)上，并非是在幾何對(duì)稱上的平衡。在越過大氣層某一高度時(shí)，出現(xiàn)的不平衡表現(xiàn)的是重量失衡。如在地平面質(zhì)量上完全相等的實(shí)心鋼球何銅球，由于兩者的密度不相同，兩個(gè)球的體積也不相同，在離開地平面達(dá)到某一高度時(shí)，兩個(gè)球的質(zhì)量開始出現(xiàn)差別。同樣道理鳥體形的戰(zhàn)機(jī)，在達(dá)到大氣層的某一高度上限后，出現(xiàn)質(zhì)量的失衡，而原有的體積并沒有改變。在飛行的過程中受氣流差異的作用，產(chǎn)生上下的顛簸，在飛機(jī)飛過某一高度時(shí)，受到大氣壓的作用減少，飛機(jī)的質(zhì)量在幾何上因體積沒有變，而受到大氣壓減少，隨之體積部分相對(duì)大的增加的重量相對(duì)大些，體積相對(duì)小的部分增加重量相對(duì)小些，而飛機(jī)原有接觸空氣的面積并沒有改變。在這相對(duì)重力改變的條件下，飛機(jī)在空氣中受到的力度，也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，以飛機(jī)的機(jī)翼為機(jī)身的重量分界，在越過升限后機(jī)身會(huì)因此發(fā)生頭和尾因質(zhì)量的改變失去原有的平衡產(chǎn)生傾斜，機(jī)身產(chǎn)生傾斜后尾翼與空氣產(chǎn)生的上浮摩擦力減少重新改變了尾部的重力，由于缺乏一個(gè)橫切面和一個(gè)水平切面的幾何對(duì)稱，而機(jī)頭受到的空氣托力與尾部剛好相反，在機(jī)身前后上下維持受力平衡的擺動(dòng)后，原來相對(duì)于機(jī)身平穩(wěn)的氣流，此時(shí)像起伏的波浪。而機(jī)身沒有受到左右的搖晃，是因?yàn)轱w機(jī)有縱切面幾何對(duì)稱，不會(huì)因受到高度的改變而發(fā)生重量的改變不相同，左右的幾何對(duì)稱沒有因高度的改變而產(chǎn)生的因重量改變不相同，產(chǎn)生受力的不平衡。兩翼成了飛機(jī)在空中壓蹺蹺板的支點(diǎn)。

在飛機(jī)的幾何外形設(shè)計(jì)上解決了超出升限遇到的機(jī)身顛簸問題，飛機(jī)就能夠跨越升限的障礙。