空天飞机:从梦想到现实

来源:中小学教育 作者:廉志斌

——谈“中学物理”知识助力大国神器

平邑县东城赛博初级中学 廉志斌

平邑赛博中学 张圣军

摘要：早在20世纪50年代，我国著名科学家钱学森就提出了研制空天飞机的设想。顾名思义，“空天飞机”是一种能够自由地往返天地之间的高科技运输工具，它的设计、制造应用了很多基础物理知识，如流体压强与流速的关系、相互作用力、运动跟力的关系以及失重、能量转化、热值、材料特性、信息传递与电磁波等多个方面。

关键词：空天飞机；升力；合力；液氢

2018年阳春三月，央视新闻报道称：我国在航天研究领域实现了“历史性跨越”！正在研制一款“空天飞机”。它是一种将航空技术与航天技术高度结合的飞行器。报道说“空天飞机”能像普通飞机一样在机场水平起飞，并以每小时1.6万~3万公里的高超音速在大气层内飞行；也能以12~25倍音速在30~100公里高空内垂直升空，而且可以直接加速进入地球轨道，成为航天飞行器，在返回大气层后，又能像飞机一样在机场着陆，无疑“空天飞机”将成为自由地往返天地之间的运输工具。

那如此“神秘”的空天利器在制作、飞行过程中应用了哪些中学物理知识呢？下面将从九个方面进行阐述。

一、“空天飞机”的水平起飞跟“流体压强与流速”的关系

“空天飞机”的母机，在制造外形上跟普通飞机相似，也有一对像鸟翅膀一样形状的机翼。由于机翼的上方凸起，下方平直，飞机在地面上高速运动时，机翼上方的空气流速大，压强小，而机翼下方的空气流速小，压强大，这样在机翼的上下方便形成一个很大的压力差，这个压力差在物理学中叫做“升力”。随着飞机运动速度的增加，升力随着变大，当升力大于飞机的整体重力时，飞机便可升空飞行。

二、“空天飞机”的前进、变轨与“相互作用力”的关系

“空天飞机“的母机内装有功率强大的冲压发动机，在发动机工作时能够向后喷射强大的冲压气流，由于物体间力的作用是相互的，当发动机向后喷射高速气体时，强大的气流则向前推动飞机，使飞机向前高速运动。同理，当飞机向上或向下喷射气体时，则气体反推飞机，使飞机偏离原来的运行轨道，从而实现变轨的目的。

三、“空天飞机”的变速与“运动跟力”的关系

“空天飞机”的喷气发动机在工作时能够为飞机的前进提供强大的动力，同时飞机在飞行时也会遇到空气阻力，并且空气阻力随运动速度的增大而增大，当动力大于阻力时，飞机受到向前的合力，则飞机向前加速运动（力是改变物体运动状态的原因）；若减小发动机功率则飞机获得的动力也跟着减小，当动力小于阻力时，飞机受到的合力跟运动方向相反，则做减速运动，当动力跟空气阻力相等时，合力为0，飞机则做匀速运动。

四、“空天飞机”的入轨与第一宇宙速度的关系

“空天飞机”要想进入环地轨道，像人造卫星一样绕地球做匀速圆周运动，其不落向地面的条件是地球对飞机的重力(mg)充当向心力。当刚离开地面时，其轨道半径近似等于地球半径R（即r=R= 6.4×10⁶m)，重力加速度g=9.8N/kg，由公式mg=可得v=，代入数据可得v=7.9km／s。因此“空天飞机”要想冲出大气层，则必须借助于“子机”的火箭发动机进行加速，当飞机的速度大于第一宇宙速度（7.9km/s）时，才能成为空间飞行器环绕地球运行。

五、“空天飞机”的环地飞行与“失重”

当“空天飞机”环绕地球做匀速圆周运动时，物体的重力恰好充当向心力，此时物体好像不受重力的作用，这种现象叫做“失重”。在失重状态下，宇航员漂浮在机舱内，一旦碰触到机舱壁则在舱内四处飘荡，所以宇航员在休息时必须钻进睡袋里，就像蚕茧一样挂在舱壁上。另外，在失重状态下，水滴呈圆形，食物难以下咽，所以宇航员只能吃像“牙膏”一样的流食；舱内工作人员在工作的时候也不能像在地面上一样使用天平测量物体的质量和用弹簧测力计测量物体的重力大小，但可以测量拉力的大小，至于其他跟重力无关的测量工具，如：刻度尺、量筒、温度计等测量工具倒是可以正常使用。

在失重状态下由于液体呈现圆形，所以未来如果将“滚珠”工厂建立在机舱内就可以生产理想的圆珠，能够大大减小“滚珠”跟轴承之间的摩擦力，从而大大提高各种车辆的使用寿命；如果将“光导纤维”加工机器建立在机舱内，当然也能加工高性能的光纤（地面工厂中由于重力的作用，光导纤维易断裂，生产的长度不够）为世界光纤通信贡献力量。

六、“空天飞机”的入轨与能量转化的关系

“空天飞机”借助于子机的火箭发动机进行加速离开地球的过程中，飞机的重力势能不断增加，需要燃烧大量的燃料，燃料在燃烧的过程中将燃料的化学能先转化成燃气的内能，燃气的内能再转化成飞机的重力势能，使飞机不断远离地面。

七、“空天飞机”的燃料选择与热值的关系

“空天飞机”要想冲出大气层进入环绕轨道，需要获得大量的能量，且所携带燃料的质量不能太大（克服重力做功），这就要求所用燃料必须具有较大的热值。目前知道的所有燃料中氢气的热值最大，所以“液氢”则成为“空天飞机”的首选燃料，用“液氢”做飞机的燃料不仅能够大大减少所需携带燃料的质量，而且“液氢”跟“液氧”燃烧后的产物是水，能够大大减少对空气的污染。

八、“空天飞机”的出入大气层与制作材料的关系

“空天飞机”在大气层内进行高超音速飞行时由于空气摩擦生热，它头部和机翼前缘的表面温度可达2760℃。这样，像航天飞机上的防热瓦块式外衣，就不再适用了，这就要求建造“空天飞机”的结构材料必须能耐高温（具有很高的熔点），常规的铝合金则不堪重用，必须选择既能抗压又能耐高温的新型复合航天材料。

九、“空天飞机”的信息传递与电磁波的关系

在大气层内，人们的说话声通常是以声波的形式传播，声波可以通过空气这种传声介质传入对方的外耳道，从而引起鼓膜的振动，将声音信息传入大脑听觉中枢形成听觉；当飞机进入太空后，宇航员借助于舱内的空气也可以自由地交谈；但由于舱外属于真空，且声音不能在真空中传播，所以宇航员要想跟地面之间进行联系则必须借助电磁波这种传递信息的载体。

总之，“空天飞机”的制作及使用过程用到了很多中学物理知识，尤其是它采取水平起飞方式，依靠气动升力，大大降低了燃料的携带量，极大的减少了自重，又由于它能够达到完全重复使用，因此，可以大幅度降低航天运输的费用，它的诞生定会带来“未来航天运输方式的革命”，必将把未来的空间开发推向一个新的阶段。