在討論高超音速飛行器“鳴鏑”不能投彈的問題時,有人提出了一個聽起來似乎合理但實際上充滿誤解的問題:“鳥在飛的時候不也能拉屎嗎?”
這個問題乍一看似乎是在用生物界的自然現象類比飛行器的設計邏輯,但實際上,這樣的類比忽視了速度提升所帶來的根本性變化。速度的提升不僅僅是“更快”,它更是將飛行器帶入了一個全新的物理環境,這種變化遠超大多數軍迷的理解。當然了,等閑下來的時候W君也可以給大家寫一個《飛鳥空中撇大條的空氣動力學原理以及極限區間》這樣的文章混一破點贊,但簡單的來說——速度的提升帶來的不僅是量的變化,更是質的變化,這種質變對飛行器的結構設計、材料選擇、任務執行方式等方面都是翻天覆地的改變,不可同日而語。
在很多人的認知中,飛機的涂裝應該是牢固且耐用的,畢竟這涉及到外觀和結構的完整性,同時五代機的涂層更關系到隱身性能。但現實是,像殲-35這樣的先進隱身戰斗機在高速飛行時會出現邊角油漆脫落的現象。
很多人將這種現象簡單地歸結為制造工藝不過關,甚至質疑國產軍工產品的質量。然而,這種看似簡單的“掉漆”問題,其背后其實隱藏著一些的材料學和空氣動力學原理。高速飛行時,飛行器所承受的氣動加熱和氣動力遠超人們的想象,這種極端環境對結構和材料的影響遠比靜態條件下的評估更加嚴苛。
展開講一下:
首先掉漆的問題和熱量脫不開干系,很多人覺得飛機在天上飛,高空的溫度只有零下40-50度,在這種環境下最不應該擔心的就是溫度了。但實際情況是——氣動加熱的“熱效率”會比大家想象得高得多。
以至于氣動加熱成為了高速飛行不可忽視的一個因素。當飛機達到超音速甚至高超音速時,機體表面與空氣的劇烈摩擦會導致溫度急劇上升。這種加熱效應會導致機體表面材料膨脹、老化,甚至因溫差導致微觀裂紋的產生。尤其是隱身飛機所使用的雷達吸波材料,這些材料本身具有復雜的微觀結構,在高溫和劇烈氣流作用下極易出現剝落和脫落現象。
這是一架F-16在馬赫1.6的速度下飛行的氣動熱建模圖,我們會發現熱量集中在飛機機身的某幾個特定點位上,仔細看圖,這張圖的溫度范圍接近了190攝氏度,最低點的溫度只有接近零下90攝氏度(184開爾文),最高點點溫度在91攝氏度(365開爾文)。這個還只是自由流的溫度。實際上在飛機飛行的時候還有有駐點熱流(Stagnation Heat Flux),和可以迅速被“彈開”的自由流來比,駐點熱流就是不那么容易“彈開”的,簡單的理解就是極小部分被高速飛行器“兜住”持續不斷壓縮的空氣團。通常,我們知道大部分和速度有關的轉化公式計算例如動能、阻力等等都是取速度的平方。但很少見的是駐點熱流的計算公式是取速度的立方。
同時,我們如果觀察駐點熱流的公式,我們還會發現一個R?這個參數,這是駐點的曲率半徑。
注意這是曲率半徑不是曲面的半徑。
所以,我們在設計更加極端的再入器的時候,往往都會給再入器設計一個曲率半徑很大的再入面
以降低駐點熱流對再入器的氣動加熱問題。其實我們的神舟飛船的返回艙,仔細看你也會發現這樣的設計:
當然了這時候有杠精會說彈道導彈的彈頭了。彈道導彈的彈頭不是尖的嗎?
看小圖的確是尖的,但如果看局部圖的話——則是不那么尖了
這其實就是取舍關系了。但五代機和四代機不同,五代機在設計的過程中往往更加強調因素設計,本身沒有這么大的機身曲面,更多的是利用平面進行“拼湊”成五代機的機體,那么在兩個平面之間的夾角部分往往Rn值就相當的小了。所以當時W君看到下面這張照片的時候,W君就直接想到的就是駐點熱流造成的損傷。
其實,殲-35在高速飛行時,機翼前緣、進氣道、機體邊緣等部位最容易受到這種氣動加熱和氣動力的雙重影響,并且這些區域恰好是結構應力和氣動力集中的地方,因此油漆脫落并不是質量不過關,而是材料在極限工況下的自然反應。
為什么在其他戰斗機上看不太多呢?其實在很多R角小的部位都會有,例如:
除了氣動加熱,結構形變也是導致涂層脫落的重要原因之一。高速飛行帶來的巨大氣動力會引起飛行器機體的微小但持續的彈性形變。這種形變雖然在宏觀上難以察覺,但對于表面涂層而言,卻足以造成粘附失效。當機體表面因氣動載荷產生微小變形時,表層的油漆和雷達吸波材料會承受額外的剪切應力,導致它們與基底材料之間的結合力下降,最終出現裂紋、剝落甚至大片脫落。這與低速飛行或地面靜態環境下的材料行為完全不同,速度的提升讓這些原本被忽略的因素變得至關重要。
更進一步,高速飛行還會導致材料的疲勞損傷加劇。飛行器在執行任務時會經歷多次起降、加速、減速、機動等復雜的飛行狀態變化,這些都會對結構材料產生周期性的載荷作用。材料在長期的周期載荷作用下會逐漸累積損傷,尤其是在邊緣和連接處等應力集中區域。這種疲勞損傷與日常生活中所理解的簡單磨損完全不同,它是一種微觀裂紋在材料內部逐步擴展、最終導致材料失效的過程。對于隱身戰機來說,邊緣涂層的脫落就是這種疲勞損傷累積的直接表現。
為什么從鳥拉屎說到了殲-35的隱身涂層脫落呢?有人可能會覺得,既然鳥類在飛行時可以隨意排泄,為什么飛行器不能像鳥一樣在高速飛行時投放物體?這個問題本質上忽視了速度帶來的物理環境變化。鳥類的飛行速度普遍在每小時幾十公里,即使是飛行速度最快的鳥類——游隼,在俯沖時的速度也不過300公里每小時。這個速度遠遠低于噴氣式飛機,更不用說高超音速飛行器。高超音速飛行器通常飛行速度在5倍音速以上,即每小時6000公里以上,這種極端速度下,飛行器周圍會形成激波層,導致局部氣流極度紊亂,任何物體的釋放都可能對飛行器的飛行姿態和穩定性產生災難性的影響。
激波是高速飛行中不可避免的現象,當飛行速度超過音速時,空氣無法及時繞開飛行器,導致空氣被極度壓縮,形成激波。這個激波不僅會產生強烈的氣動加熱,還會導致周圍氣流環境極其敏感和不穩定。如果在這種環境下打開艙門或投放物體,不僅會破壞飛行器的氣動外形,還會擾亂激波結構,進而影響飛行器的穩定性和操控性。嚴重時,這種干擾甚至可能導致飛行器失控或解體。
飛行器在高速飛行時,其結構設計也必須避免任何多余的開口和突起。每一個開口和突起都會增加氣動阻力,產生激波干擾,甚至成為結構薄弱點。高超音速飛行器通常采用一體化設計,盡量減少任何可能影響氣動外形的結構細節。這種設計邏輯與低速飛行器或鳥類飛行的設計完全不同。在這種極端速度下,結構強度和氣動穩定性被提到了最高優先級,任何“開個口投個彈”的操作在這種環境下都不可行。
材料耐熱性和防護性也是制約高超音速飛行器釋放物體的關鍵因素。飛行器外部覆蓋的耐高溫材料不僅要承受極端的氣動加熱,還需要保證結構的完整性。打開艙門或釋放物體意味著需要暴露內部結構,這不僅會增加局部的熱負荷,還可能導致內部敏感設備受損。現有的材料和技術還無法在極端高溫和高速氣流下,實現既安全又可靠的艙門開啟和物體釋放。
從鳥類飛行到現代戰斗機,從亞音速到高超音速,速度的提升帶來的絕不是簡單的“更快”,而是物理環境和工程邏輯的徹底變革。鳥類在飛行中拉屎,是在自然環境下自然而然的行為,而高速飛行器面對的是氣動、熱力、結構和材料的全方位取舍。鳥拉屎、殲-35的掉漆問題和高超音速飛行器不能投彈的問題,表面看似無關,實則都源于速度提升帶來的質變。
現在又會有噴子在問——美國的掉漆嗎?
掉啊,美國的F-22和F-35以及B-2都是掉漆大戶。現在很多軍迷看到的大量F-22其實都隸屬于F-22 Demo Team,這是一個F-22的飛行演示部隊。主要的任務就是為F-22的一線部隊提供操典和技術研究,同時也是建立美國的F-22的飛行標準化程序的實驗性部隊。
他們的飛機在保養維護等方面更加標準化,所以露出來給大家看的往往就比較光鮮。但真正在部隊中的F-22就沒那么光鮮亮麗了。
而且掉漆一直是美國隱身飛機的一個技術難題,有資料記載F-22平均飛行一個小時需要在地面維護超過30小時,其主要維護的部分就是漆面的損傷和修補。
仔細看下面的近距離圖片,這是有多少修補點是不是一目了然了?
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