其實,W君就是在做情報分析工作的。收集情報,進行數據分析和篩選,然后整理成報告,再賣給客戶并給出自己的建議,這件事挺好做的,而且客戶中外都有。
對于我們怎么看待軍迷呢?說句很口冷的話,大部分軍迷其實都是一群傻二憨。原因并不是對特定群體的歧視,而是在于軍事技術領域本身就不是一個大眾科普知識的范疇,因此很多人會一知半解的去理解軍事技術領域內的關鍵知識要點,但這種一知半解就會鬧出很多笑話,而當事人還會不自知的認為是真理。這和強調食物酸堿性而不知道肝臟腎臟在人體體液酸堿度調節中的作用一樣,都是屬于傻盲傻盲的范疇。所以咱們不能說追求“堿性食物”的人不聰明,只能認為這群人認知有偏差。
對于最近說W君是間諜的事情……這樣說吧:
99.9999%的網民評論內容都是極其不可信的,在我們這里只能算是垃圾數據,在數據清洗的過程中第一批要清洗掉的就是很多熱心網民的留言。至于那0.0001%的所謂的“真實”“有價值”信息的辨別和甄選比砂子里面淘金還困難,對于情報來說是完全沒有性價比的。但很多傳播這些信息的網民來說頗具“這事就我知道”的感覺,以為手里握著的是一個酒壺,其實手里的往往是個尿壺。
這事情,不怪軍迷,只能說,大部分相信某些謠言的人并不具備相關領域的知識背景。
舉個例子:
提到咱們的新飛機甚至鳴鏑飛行器,很多軍迷往往會第一時間想到這架新飛機能飛“多少馬赫”。那為什么“馬赫”就那么深入人心呢?
原因是便于理解,大多數人的認知飛行速度2馬赫就是聲音的兩倍,再一乘以聲音的速度,就可以簡單的得出每秒680米的速度。又加上很多叫做“馬赫云”的具像化照片,讓人有多少多少馬赫的具像認知。但這事情對嗎?真心有問題!
馬赫數只是一個“無量綱量”,代表的是流體中的物體的速度與周圍流體的聲速的比值。并不是一個速度單位。
所以很多人信奉的網絡百科,把馬赫記作物理學單位本身這件事就很不科學。單位是“計量”的,我們可以說20米,1秒,40公斤。這些計量單位都會放在數字的后面——這是一種約定俗成的方法。這是我們說的基本計量單位。在基本數量單位的基礎上,我們可以計算導出單位,例如速度,例如一個物體移動了20米的距離用了1秒的時間,這時候它的速度就是20米/秒。米和秒都是基本單位。那么“米/秒”呢這就是導出單位。我們來看速度公式 v=s/t。
其實在計算過程中我們就可以看到,在計算導出單位的時候 數值的部分做了除法運算,單位的部分也相應的做了除法運算,就被記作了“米/秒”
不理解?那么我們給它換算一下成時速(千米/秒)
這樣我們就得到了 72km/h 的時數,其實“米”和“秒”一樣還是在公式里面,只不過被除法的過程中被約掉了。
馬赫數呢?海平面音速340米/秒,飛行器速度680米/秒,我們來計算一下:
這種沒有單位的數就叫做“無量綱量”,“量綱”是指物理量的基本性質和特征,它表示物理量與基本物理量(如長度、質量、時間、電流、溫度、物質的量和光強度)的關系。無量綱量就是沒有量綱的物理量,本質上馬赫數作為無量綱量存在,就是一個比值,可以說和速度沒有一毛錢的關系。——聲速是指聲音在介質中傳播的速度,受到溫度、高度、空氣密度的影響。在大氣中的音速從200米/秒到360米/秒都有,一般的來說海拔高度不同,音速是不同的。因此如果硬要拿馬赫當單位,就必須說明海拔高度了。這件事和一個人的血液酸堿度是受到肝臟腎臟機能是否正常而和吃的什么食物沒關系是一個道理。
所以在W君這里,你可以看到馬赫3、馬赫5這樣的寫法,但如果不是舉反例就絕對很難看到 3馬赫、5馬赫這樣的寫法。這其實也是看一個軍事號能不能給大家提供稍微專業的軍事知識的一個基本判斷準則——連單位是什么都搞不清楚,你指望著這群人帶給你什么真實的信息呢?
那么除了扯著脖子喊的馬赫數,在空氣動力學中還有哪些“無量綱量”數值是需要看的呢?簡單的說幾個:
雷諾數(Reynolds Number):這是流體慣性和粘性的比例數。也是一個空氣動力學設計中的一個常用的“無量綱量”。對空氣動力學的意義在于產生湍流的特性。
我們無論是造一個風洞也好還是設計一個飛行器也罷,雷諾數的重要度其實比馬赫數還要大。馬赫數代表了空氣動力學的“量”,而雷諾數則是空氣動力學中的“質”,只有兩者能高度的統一,其實我們才能談空氣動力學的“質量”。
一個簡單的例子:
在做風洞測試的時候,機翼在不同迎角下會產生不同的升力,但一旦迎角過大,氣流就在機翼上表面形成湍流讓機翼失去升力。
那么問題來了,在高速風洞中如何讓初始的氣流干凈沒有湍流呢?通常在風洞的設計中會有這種密密麻麻的管道
這個東西叫做整流器(flow straightener)用來將測試段前的氣流“整理”成均勻的沒有湍流的流場,這樣層流氣流的比例就大于了湍流氣流。但是整流器到被測物體之間還有那么一段距離,就需要依靠改變腔體結構和氣體特性來提高雷諾數了。通常的情況下可以把氣體冷卻,例如利用液氮降低氣體溫度。
其實這件事就和前幾天咱們提到的納維-斯托克斯方程有關聯了。當然了,具體怎么推導到的會的自然會,不會的基本上你也看不明白。
這是風洞,對于飛行的設計來說,同樣也有雷諾數的影子。很多人會想到平滑的機身沒有突出的鉚釘會讓雷諾數提高從而降低湍流的出現。這也是為什么我們的殲-20采用那么光滑的機身的原因。
其次,超長的,經過修形的機身上表面實際上也是提高雷諾數的一個設計。不過雷諾數這個東西是需要靈活運用的,例如我們的雙三角翼加鴨式布局的設計,就明顯的看到了雷諾數的取舍關系。
歐拉數 (Euler Number):這是用于描述流體中局部壓強損失和單位體積動能之間的比例。
如果說雷諾數是“質”,馬赫數是“量”,那么歐拉數則是“勢”。
當然了,如果你能看懂馬赫數是什么,而勉強看懂雷諾數是什么的話,你就已經不是“傻二憨了”,但是如果你雷諾數是什么的話沒看懂,那么——后面的內容其實對于你來說完全是天書。
用最簡單的方法來說——流體是有黏性有慣性的,甩面見過沒有,雖然面團是大家眼里的固體,但是嚴格意義上它屬于不可壓縮流體。
在甩動的時候面條會變長如果用慣性系的概念來說是因為甩動產生的慣性拉長了面條,但是如果從歐拉數的角度來說就是局部壓強損失和單位體積動能之間的關系了。
還不明白?那么就看一下螺旋槳在液體中高速旋轉,為什么會生成氣泡。
“一小塊”水在螺旋槳的帶動下獲得了極大的動能,由于獲得了動能,那么這一小塊水邊界線上的壓強就降低了,降低到水蒸發成水蒸氣或者水中溶解的氣體逸出(這兩個都是壓強降低后的現象),于是就出現了氣泡。
歐拉數就是衡量這種關系的比值。固體液體氣體本就沒有分別,只不過是他們的彈性、粘性不一樣罷了。
改善歐拉數的表現在飛機的設計中其實至關重要。因為飛機的設計不僅僅是依靠噴氣式發動機把燃氣噴出去,而且還要依靠進氣道把前面的空氣“兜”進來,這兩件事其實都有歐拉數在起作用。不僅僅如此,飛機的氣動設計,飛機的機翼前緣和機翼后緣依然是撞入和離去的關系,這里面還是有歐拉數的作用。再有就是飛機的機翼產生了升力,其實就是上表面壓強減小下表面壓強加大或不變——看歐拉數的定義中“局部壓強損失”其實也是適應于機翼的設計的。
其實,在機翼設計中,歐拉數通過反映壓強力與慣性力的比值,直接影響氣動性能優化。合理的翼型選擇,如超臨界翼型,能夠平滑機翼表面的壓強分布,減少激波和波阻力,從而提升跨音速和超音速飛行性能。機翼后掠角設計通過改變氣流相對角度,延遲激波產生,有效降低局部壓強梯度,改善升阻比。例如采用負扭轉(Washout)設計可平衡升力分布,避免翼尖失速,優化局部壓強差。
以F/A-18 E/F為例,這型飛機的機翼根部和機翼末梢的角度并不是相同的,相差了4度,這樣的設計就給了這個型號的飛機一個極大的飛行攻角兼容性,例如當機翼根部的迎角達到了10度開始逐漸失去效力的時候,在翼梢的位置上迎角只有6度,還可以處在極高的工作效率范圍內。這樣一來根-梢的配合就賦予了F/A-18 E/F極高的機動性。
另一個基于歐拉數的機翼設計方式則是下垂翼梢(hoerner wingtips),前陣子伊朗出了一架叫做F-313的戰斗機,很多人就在笑話翼梢的下垂設計。
認為波斯人做出了一架怪異的不可思議的戰斗機。
12月26日,我們的沈飛試飛的新一型戰機,也有很明顯的hoerner wingtips特征。
這回國內的很多軍迷就不去笑話了。這兩者的本質實際上是一樣的。
帶有這種設計的機翼其實都是在釋放一個信號,飛機的設計師著重設計了飛機的低空低速性能,又不希望在飛機的高速性能上做出妥協。
只有波斯人和我們這樣設計飛機,以“下垂翼梢”來提高低空低速的穩定性嗎?還有一款絕大多數軍迷很熟悉的飛機其實也采用了下垂翼梢的設計。只不過這架飛機本身就是突出低速飛行效果,采用了大展弦比的平直機翼,導致很多人沒有注意它的翼梢設計。
這事情吧,W君不說,估計得有一大部分人根本不會注意到。所以呢,飛機的型號咱也就不說了,上面這張圖片認不出是啥的,也就別說自己是軍迷了。
還說嗎?那繼續。
升力系數(Lift Coefficient):升力系數其實是被很多軍迷胡吹的一個無量綱量,起因是很多人為了吹噓殲-20,就回去踩F-22,就杜撰出來一個F-22的升力系數是2.0的謠言,但關鍵很多人還是相信了這個謠言。
升力系數是計算升力的時候根據風洞測量求出來的一個無量綱量,就是一個為了計算方便湊出來的數字。
先看升力公式:
當一架飛機或者一個機翼翼形在風洞中吹風測試的時候,我們可以通過拉力傳感器直接測量出來飛機在特定的氣流速度下所產生的升力L,同時,我們又知道風洞中氣流的速度以及氣流的密度,還知道機翼(包括升力體機身)的面積。通過這些數字,我們就要將升力和這些已知數構建數學上的關聯。于是就有了CL,那CL怎么來的呢?把CL放在等式左邊,L放在等式右邊分子位置,這是初中數學吧???于是就有了:
都是風洞內的已知量了,直接計算一下就可以得出來,這件事并沒有什么神秘的。甚至我們也可以結合F-22的飛行參數來計算出F-22的升力系數。
例如:F-22的最大起飛重量:約 38000 kg,我們以滿載飛行重量來計算,這樣F-22飛行的時候所需要的升力就是:
也就是37萬2780牛的升力可以讓F-22在空中平飛。
那么此刻的升力系數是多少呢?
F=22機翼面積78.4平方米;巡航飛行高度為15240米,這個位置的大氣密度約為0.193公斤/立方米;巡航飛行速度為馬赫1.82,這個高度的聲速為295米/秒,所以F-22在15240米的飛行速度是563.9米/秒。
所以升力系數是:
哪有2.0啊,0.172而已,差了一個數量級呢!為什么很多軍迷喜歡說更大的數字呢?數大顯得牛歡喜。
當然了,這是平飛情況,F-22最大的過載可以做到9個G,如果這些過載都是由機翼的升力實現,那么0.172 X 9 也就是1.548。
這里的計算我們只計算了機翼面積,F-22是升力體機身,這個面積我們還沒有放到公式的S中去,如果放進去之后S是變大的,因此CL會再小于0.172。
單就CL值來說F-22就是使出了吃奶的勁也打不到很多人說的2.0,那么網傳我們的殲-20的升力系數2.3呢?有了前面的例子其實大家可以自己去查下資料自己去算。實際上兩者相差并不大。根本就沒有壓一頭踩一頭的必要性。
和升力系數類似的還有阻力系數 (Drag Coefficient),這個東西最可靠的方式依舊是垂風洞來計算。通常在風洞中測量升力的同時,可以在另一個維度上計算出被測物體所受到的推力。由于被測物體本身沒有動力,因此測量出來的推力也就是物體在某個速度下某種空氣密度下所受到的阻力
和升力公式類似,阻力公式中也有一個需要配平等式湊出來的數字,這個數字就是阻力系數——“Cd”。
不過,飛行器在計算阻力系數的時候為了設計的統一性,公式中的S仍舊使用機翼面積而不是迎風面來做,這是因為在設計改動的時候在后面的計算就更加方便。由此我們可見無論是CL還是CD都是一個“既定事實”,只是為了后期計算方便通過測量給出的一個數值而已,優化氣動設計的目的的確是會改變升力系數或者阻力系數,但設計的目標卻不是向著某個系數向更大更小值的方向進行的。
再有的一些無量綱數在空氣動力學設計中也是至關重要的,例如斯特勞哈爾數(Strouhal Number):這個數值表示物體在流體中運動時,慣性力和局部加速度(或振動效應)之間的比值。它描述了渦流脫落的頻率與物體尺寸和流速的關系。簡單說下:
前面咱們說過在某種意義上來說沒固體液體氣體的區別,只有他們之間的彈性和粘性不同罷了,斯特勞哈爾數就是渦流的震動。
如果低斯特勞哈爾數的數值很低,那么氣流的慣性力就占據主導,如果低斯特勞哈爾數的數值很高,氣流的“震動”或者用專業術語叫做“局部非定常效應”占據主導,這時候就會讓渦流提前發生。
看公式:
f是頻率,L是特征長度,V是速度。這次我們發現V罕見的放在分母的位置了,其實,這個數值和飛機的飛行速度成反比,飛機飛行速度越快,St數值越小。那么給我們帶來的意義在哪里呢?首先,飛機并不是一直都是高速飛行的,必須要起降嘛,也就是說V總有小的時候。這個數值恰恰就代表了低速飛行時候性能指標。
其次,飛機的發動機是要減速的氣流的,適當的增加進氣道部分ST值其實有助于飛機飛行的穩定性。
看煩了吧?W君也講煩了,其實類似于前面這些無量綱量,在空氣動力學設計中基本上常用的有73個,馬赫數只是其中的一個而已,并且并不算是最重要的一個。如果非得推崇一個馬赫數,我們大可以把戰斗機都做成一枚枚大火箭——無他,這玩意馬赫數高。
知道為什么W君為什么總覺得一些軍迷是“傻二憨”了嗎?這件事和現實中男人和女人買車是一個道理。
一個男人在買車的時候往往看的東西很多,而女人只會看顏色是不是喜歡,這時候在男人的眼里,女人也是一個個“傻二憨”。
軍迷也一樣,尤其是那種只抱著一個數字,甚至還覺得一個數字是什么大不了的絕密資料的主兒,憨的都挺可愛的,難道不是嗎?
寫這篇文章的目的倒不是為了嘲諷大伙,技術本來就有它的嚴謹性和綜合性。
例如這位爺,這樣提出來下雨水滴的問題,還能還能很自傲的覺得自己的見識多廣泛。其實這件事是因為表面張力和終端速度的共同作用結果,即便雨滴在形成的位置上有極大的勢能(其實也沒多大),在 下落加速的時候會把勢能轉化成動能。但是空氣是有阻力的,參考前面的阻力公式,你會發現阻力和速度的平方成正比,因此最終雨滴會在空氣中達到終端速度,以維持阻力和速度的平衡。同時過大的阻力會打破雨滴的表面張力,使雨滴破碎成更小的雨滴。
通常自然形成的雨滴在經過上面的過程后落在人身上的直徑最多也就5毫米,速度最快也就是10m/s,套用下動能公式,這時候雨滴的動能也就是0.00327焦耳。咱們是研究軍事的嘛,告訴大家一個基本概念,如果要對人體頭部最脆弱的位置造成致命傷害需要的動能是78焦耳,而雨滴那3.27毫焦的動能——差不多也就是兩個屁的動能。
所以,在討論技術的時候別自做聰明的那這些屁事來耍寶。
PS:不求大家真正的能理解和靈活運用空氣動力學的常識,但至少以后別說“7馬赫”了吧,得知道馬赫數只是個數而已。
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