張圣軍 廉志斌

摘 要： “空天飛機”是一種能夠自由地往返天地之間的高科技運輸工具，它的設(shè)計、制造應(yīng)用了很多基礎(chǔ)物理知識，如流體壓強與流速的關(guān)系、相互作用力、運動跟力的關(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方面.

關(guān)鍵詞： 空天飛機;升力;合力;液氫

2018年陽春三月，央視新聞報道稱：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”. 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.

報到說“空天飛機”能像普通飛機一樣在機場水平起飛，并以每小時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入地球軌道，成為航天飛行器，在返回大氣層后，又能像飛機一樣在機場著陸，無疑“空天飛機”將成為自由地往返天地之間的運輸工具[1].

實際上，人類在半個世紀之前就提出了“空天飛機”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國，但都還沒真正做到，那么中國的科學家是怎樣構(gòu)想奇跡的呢？

從空天飛行器外形來看，中國的科學巨匠們采用了“子母機”組合的新穎設(shè)計理念（如圖1所示：上面的小飛機是子機，下面的大飛機是母機），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)依靠母機的噴氣式發(fā)動機和自身空氣動力較為自由地在大氣層內(nèi)飛行，在航天空間內(nèi)則依靠子機的火箭發(fā)動機根據(jù)軌道力學原理實現(xiàn)飛行、變軌，然后再水平返回地面機場[2].

俗話說科學技術(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)用了哪些中學物理知識呢？下面將從九個方面進行闡述.

1 “空天飛機”的水平起飛跟“流體壓強與流速”的關(guān)系

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

由于機翼的上方凸起，下方平直，飛機在地面上高速運動時，機翼上方的空氣流速大，壓強小，而機翼下方的空氣流速小，壓強大，這樣在機翼的上下方便形成一個很大的壓力差，這個壓力差在物理學中叫做“升力”.隨著飛機運動速度的增加，升力隨著變大，當升力大于飛機的整體重力時，飛機便可升空飛行.

2 “空天飛機”的前進、變軌與“相互作用力”的關(guān)系

“空天飛機”的母機內(nèi)裝有功率強大的沖壓發(fā)動機，在發(fā)動機工作時能夠向后噴射強大的沖壓氣流，由于物體間力的作用是相互的，當發(fā)動機向后噴射高速氣體時，強大的氣流則向前推動飛機，使飛機向前高速運動.

同理，當飛機向上或向下噴射氣體時，則氣體反推飛機，使飛機偏離原來的運行軌道，從而實現(xiàn)變軌的的目的.

3 “空天飛機”的變速與“運動跟力”的關(guān)系

“空天飛機”的噴氣發(fā)動機在工作時能夠為飛機的前進提供強大的動力，同時飛機在飛行時也會遇到空氣阻力，并且空氣阻力隨運動速度的增大而增大.當動力大于阻力時，飛機受到向前的合力，則飛機向前加速運動（力是改變物體運動狀態(tài)的原因）;若減小發(fā)動機功率則飛機獲得的動力也跟著減小，當動力小于阻力時，飛機受到的合力跟運動方向相反，則做減速運動，當動力跟空氣阻力相等時，合力為0，飛機則做勻速運動.

4 “空天飛機”的入軌與第一宇宙速度的關(guān)系

“空天飛機”要想進入環(huán)地軌道，像人造衛(wèi)星一樣繞地球做勻速圓周運動， 其不落向地面的條件是地球?qū)︼w機的重力（mg）充當向心力.當剛離開地面時，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”要想沖出大氣層，則必須借助于“子機”的火箭發(fā)動機進行加速，當飛機的速度大于第一宇宙速度（7.9km/s）時，才能成為空間飛行器環(huán)繞地球運行.

5 “空天飛機”的環(huán)地飛行與“失重”

當“空天飛機”環(huán)繞地球做勻速圓周運動時，物體的重力恰好充當向心力，此時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，宇航員漂浮在機艙內(nèi)，一旦碰觸到機艙壁則在艙內(nèi)四處飄蕩，所以宇航員在休息時必須鉆進睡袋里，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、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”加工機器建立在機艙內(nèi)，當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力量.

6 “空天飛機”的入軌與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系

“空天飛機”借助于子機的火箭發(fā)動機進行加速離開地球的過程中，飛機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能先轉(zhuǎn)化成燃氣的內(nèi)能，燃氣的內(nèi)能再轉(zhuǎn)化成飛機的重力勢能，使飛機不斷遠離地面.

7 “空天飛機”的燃料選擇與熱值的關(guān)系

“空天飛機”要想沖出大氣層進入環(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”的首選燃料，用“液氫”做飛機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”的出入大氣層與制作材料的關(guān)系

“空天飛機”在大氣層內(nèi)進行高超音速飛行時由于空氣摩擦生熱，它頭部和機翼前緣的表面溫度可達2760℃.這樣，像航天飛機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”的結(jié)構(gòu)材料必須能耐高溫（具有很高的熔點），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”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，將聲音信息傳入大腦聽覺中樞形成聽覺;當飛機進入太空后，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”的制作及使用過程用到了很多中學物理知識，尤其是它采取水平起飛方式，依靠氣動升力，大大降低了燃料的攜帶量，極大的減少了自重，又由于它能夠達到完全重復(fù)使用，因此，可以大幅度降低航天運輸?shù)馁M用，它的誕生定會帶來“未來航天運輸方式的革命”，必將把未來的空間開發(fā)推向一個新的階段.

參考文獻：

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

[2]張亦馳.中國空天飛機“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)冷組合動力高超聲速空天飛機關(guān)鍵技術(shù)研究進展[J].推進技術(shù)，2018，38（01）：1-13.

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