張圣軍 廉志斌

摘 要： “空天飛機(jī)”是一種能夠自由地往返天地之間的高科技運(yùn)輸工具，它的設(shè)計(jì)、制造應(yīng)用了很多基礎(chǔ)物理知識，如流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系、相互作用力、運(yùn)動(dòng)跟力的關(guān)系以及失重、能量轉(zhuǎn)化、熱值、材料特性、信息傳遞與電磁波等多個(gè)方面.

關(guān)鍵詞： 空天飛機(jī);升力;合力;液氫

2018年陽春三月，央視新聞報(bào)道稱：我國在航天研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了“歷史性跨越”！正在研制一款“空天飛機(jī)”. 它是一種將航空技術(shù)與航天技術(shù)高度結(jié)合的飛行器.

報(bào)到說“空天飛機(jī)”能像普通飛機(jī)一樣在機(jī)場水平起飛，并以每小時(shí)1.6萬～3萬公里的高超音速在大氣層內(nèi)飛行;也能以12～25倍音速在30～100公里高空內(nèi)垂直升空，而且可以直接加速進(jìn)入地球軌道，成為航天飛行器，在返回大氣層后，又能像飛機(jī)一樣在機(jī)場著陸，無疑“空天飛機(jī)”將成為自由地往返天地之間的運(yùn)輸工具[1].

實(shí)際上，人類在半個(gè)世紀(jì)之前就提出了“空天飛機(jī)”的概念.雖然世界上很多國家都一直在積極開發(fā)航天新技術(shù)，像俄羅斯、美國、英國、法國和德國等科技強(qiáng)國，但都還沒真正做到，那么中國的科學(xué)家是怎樣構(gòu)想奇跡的呢？

從空天飛行器外形來看，中國的科學(xué)巨匠們采用了“子母機(jī)”組合的新穎設(shè)計(jì)理念（如圖1所示：上面的小飛機(jī)是子機(jī)，下面的大飛機(jī)是母機(jī)），并采用兩級入軌的空天飛行方案.簡單說，就是這種飛行器在航空空間內(nèi)依靠母機(jī)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和自身空氣動(dòng)力較為自由地在大氣層內(nèi)飛行，在航天空間內(nèi)則依靠子機(jī)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)軌道力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)飛行、變軌，然后再水平返回地面機(jī)場[2].

俗話說科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，如此“神秘”的空天利器在制作、飛行過程中應(yīng)用了哪些中學(xué)物理知識呢？下面將從九個(gè)方面進(jìn)行闡述.

1 “空天飛機(jī)”的水平起飛跟“流體壓強(qiáng)與流速”的關(guān)系

“空天飛機(jī)”的母機(jī)，在制造外形上跟普通飛機(jī)相似，也有一對像鳥翅膀一樣形狀的機(jī)翼（如圖2所示）.

由于機(jī)翼的上方凸起，下方平直，飛機(jī)在地面上高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)翼上方的空氣流速大，壓強(qiáng)小，而機(jī)翼下方的空氣流速小，壓強(qiáng)大，這樣在機(jī)翼的上下方便形成一個(gè)很大的壓力差，這個(gè)壓力差在物理學(xué)中叫做“升力”.隨著飛機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的增加，升力隨著變大，當(dāng)升力大于飛機(jī)的整體重力時(shí)，飛機(jī)便可升空飛行.

2 “空天飛機(jī)”的前進(jìn)、變軌與“相互作用力”的關(guān)系

“空天飛機(jī)”的母機(jī)內(nèi)裝有功率強(qiáng)大的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)能夠向后噴射強(qiáng)大的沖壓氣流，由于物體間力的作用是相互的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴射高速氣體時(shí)，強(qiáng)大的氣流則向前推動(dòng)飛機(jī)，使飛機(jī)向前高速運(yùn)動(dòng).

同理，當(dāng)飛機(jī)向上或向下噴射氣體時(shí)，則氣體反推飛機(jī)，使飛機(jī)偏離原來的運(yùn)行軌道，從而實(shí)現(xiàn)變軌的的目的.

3 “空天飛機(jī)”的變速與“運(yùn)動(dòng)跟力”的關(guān)系

“空天飛機(jī)”的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)能夠?yàn)轱w機(jī)的前進(jìn)提供強(qiáng)大的動(dòng)力，同時(shí)飛機(jī)在飛行時(shí)也會遇到空氣阻力，并且空氣阻力隨運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大.當(dāng)動(dòng)力大于阻力時(shí)，飛機(jī)受到向前的合力，則飛機(jī)向前加速運(yùn)動(dòng)（力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因）;若減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率則飛機(jī)獲得的動(dòng)力也跟著減小，當(dāng)動(dòng)力小于阻力時(shí)，飛機(jī)受到的合力跟運(yùn)動(dòng)方向相反，則做減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)力跟空氣阻力相等時(shí)，合力為0，飛機(jī)則做勻速運(yùn)動(dòng).

4 “空天飛機(jī)”的入軌與第一宇宙速度的關(guān)系

“空天飛機(jī)”要想進(jìn)入環(huán)地軌道，像人造衛(wèi)星一樣繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)， 其不落向地面的條件是地球?qū)︼w機(jī)的重力（mg）充當(dāng)向心力.當(dāng)剛離開地面時(shí)，其軌道半徑近似等于地球半徑R（即r=R=6.4×106m），重力加速度g=9.8N/kg，由公式mg= mv2 r 可得v= gr ，代入數(shù)據(jù)可得v= 7.9km/s.因此，“空天飛機(jī)”要想沖出大氣層，則必須借助于“子機(jī)”的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加速，當(dāng)飛機(jī)的速度大于第一宇宙速度（7.9km/s）時(shí)，才能成為空間飛行器環(huán)繞地球運(yùn)行.

5 “空天飛機(jī)”的環(huán)地飛行與“失重”

當(dāng)“空天飛機(jī)”環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的重力恰好充當(dāng)向心力，此時(shí)物體好像不受重力的作用，這種現(xiàn)象叫做“失重”.在失重狀態(tài)下，宇航員漂浮在機(jī)艙內(nèi)，一旦碰觸到機(jī)艙壁則在艙內(nèi)四處飄蕩，所以宇航員在休息時(shí)必須鉆進(jìn)睡袋里，就像蠶繭一樣掛在艙壁上.另外，在失重狀態(tài)下，水滴呈圓形，食物難以下咽，所以宇航員只能吃像“牙膏”一樣的流食;艙內(nèi)工作人員在工作的時(shí)候也不能像在地面上一樣使用天平測量物體的質(zhì)量和用彈簧測力計(jì)測量物體的重力大小，但可以測量拉力的大小，至于其他跟重力無關(guān)的測量工具，如：刻度尺、量筒、溫度計(jì)、電流表、電壓表等測量工具倒是可以正常使用.

在失重狀態(tài)下由于液體呈現(xiàn)圓形，所以未來如果將“滾珠”工廠建立在機(jī)艙內(nèi)就可以生產(chǎn)理想的圓珠，能夠大大減小“滾珠”跟軸承之間的摩擦力，從而大大提高各種車輛的使用壽命;如果將“光導(dǎo)纖維”加工機(jī)器建立在機(jī)艙內(nèi)，當(dāng)然也能加工高性能的光纖（地面工廠中由于重力的作用，光導(dǎo)纖維易斷裂，生產(chǎn)的的長度不夠）為世界光纖通信貢獻(xiàn)力量.

6 “空天飛機(jī)”的入軌與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系

“空天飛機(jī)”借助于子機(jī)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加速離開地球的過程中，飛機(jī)的重力勢能不斷增加，需要燃燒大量的燃料，燃料在燃燒的過程中將燃料的化學(xué)能先轉(zhuǎn)化成燃?xì)獾膬?nèi)能，燃?xì)獾膬?nèi)能再轉(zhuǎn)化成飛機(jī)的重力勢能，使飛機(jī)不斷遠(yuǎn)離地面.

7 “空天飛機(jī)”的燃料選擇與熱值的關(guān)系

“空天飛機(jī)”要想沖出大氣層進(jìn)入環(huán)繞軌道，需要獲得大量的能量，且所攜帶燃料的質(zhì)量不能太大（克服重力做功），這就要求所用燃料必須具有較大的熱值.目前知道的所有燃料中氫氣的熱值最大，所以“液氫”則成為“空天飛機(jī)”的首選燃料，用“液氫”做飛機(jī)的燃料不僅能夠大大減少所需攜帶燃料的質(zhì)量，而且“液氫”跟“液氧”燃燒后的產(chǎn)物是水，能夠大大減少對空氣的污染.

8 “空天飛機(jī)”的出入大氣層與制作材料的關(guān)系

“空天飛機(jī)”在大氣層內(nèi)進(jìn)行高超音速飛行時(shí)由于空氣摩擦生熱，它頭部和機(jī)翼前緣的表面溫度可達(dá)2760℃.這樣，像航天飛機(jī)上的防熱瓦塊式外衣，就不再適用了，這就要求建造“空天飛機(jī)”的結(jié)構(gòu)材料必須能耐高溫（具有很高的熔點(diǎn)），常規(guī)的鉛鋁合金則不堪重用，必須選擇既能抗壓又能耐高溫的新型復(fù)合航天材料.

9 “空天飛機(jī)”的信息傳遞與電磁波的關(guān)系

在大氣層內(nèi)，人們的說話聲通常是以聲波的形式傳播，聲波可以通過空氣這種傳聲介質(zhì)傳入對方的外耳道，從而引起鼓膜的振動(dòng)，將聲音信息傳入大腦聽覺中樞形成聽覺;當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入太空后，宇航員借助于艙內(nèi)的空氣也可以自由地交談;但由于艙外屬于真空，且聲音不能在真空中傳播，所以宇航員要想跟地面之間進(jìn)行聯(lián)系則必須借助電磁波（可以在真空中傳播）這種傳遞信息的載體.

總之，“空天飛機(jī)”的制作及使用過程用到了很多中學(xué)物理知識，尤其是它采取水平起飛方式，依靠氣動(dòng)升力，大大降低了燃料的攜帶量，極大的減少了自重，又由于它能夠達(dá)到完全重復(fù)使用，因此，可以大幅度降低航天運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用，它的誕生定會帶來“未來航天運(yùn)輸方式的革命”，必將把未來的空間開發(fā)推向一個(gè)新的階段.

參考文獻(xiàn)：

[1]黃子娟.航天飛機(jī)介紹[OL].人民網(wǎng)-軍事頻道，2009-08-13.

[2]張亦馳.中國空天飛機(jī)“燃爆”互聯(lián)網(wǎng)讓X37B黯然失色[OL].2018-03-08.

[3]鄧帆，譚慧俊，董昊，付秋軍，塵軍.預(yù)冷組合動(dòng)力高超聲速空天飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].推進(jìn)技術(shù)，2018，38（01）：1-13.

[4]謝睿軒.單級入軌空天飛機(jī)用新型液態(tài)空氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（10）：17-19.