星际飞行与空气动力学

邹盛铨

空气动力学是研究物体在空气中运动的规律和空气本身流动的规律的科学。在那浩翰无边的宇宙自由真空里，是没有气体的。那么，星际飞船是不是可以不必考虑空气动力性能，而设计成任意形状，如球形、立方体等呢？答案是否定的。因为任何星际飞船在起飞和着陆阶段总要通过地球稠密的大气层。如果要在别的有气体的星球上降落，也要通过它的大气层。这段路程相对说来虽然较短，但因飞船速度极大，对其外形仍有特殊的要求。所以研究与星际航行有关的空气动力学这一崭新的课题，对宇宙航行，有很重要的意义。

摆在空气动力学家面前的新任务

当物体在空气中以小于音速的速度运动时，物体前方的空气，在物体尚未到达时就让开了一些。但如果物体以超音速即M>1运动时，前方的气流来不及避让，于是在靠近物体表面处，气体微围的相对速度骤然减少，压力和密度跳跃式的增加，阻力增大。这种变化的界面叫做冲波(或名激波)，冲波垂直于速度方向的叫正冲波，倾斜一个角度的叫斜冲波，斜冲波强度小一些，物体受的阻力也小一些。所以星际飞船的前端必须做成针状，翼与尾舵都必须要尖削，有如刀刃般锋利。

比音速快5倍以上(M>5)的飞行，叫高超音速飞行，现代火箭的M数一般可达7，苏联第一个宇宙火箭，速度达到每秒11.2公里。如果将来的星际飞船以原子火箭发动机作动力，速度可达每秒30公里，用离子火箭作动力，速度可达每秒100公里，用光子发动机，速度可达每秒30万公里。这样高的速度飞行，空气已不能再认为是连续介质，而是一颗一颗的弹丸般的打在飞船上。另一方面，飞船的壳体受到强烈地加热，飞船会因此发生变形、翘曲，强度降低，甚至赤热、白炽或熔化。空气在这种高温下，也不能保持原来的状态，而离解成离子了。这时候，显然普通的超音速空气动力学理论已不能再用了。解决耐高热的材料和冷却问题，是治金家和工艺师的任务。而寻找合理的空气动力外形，研究稀薄空气动力学、电磁流体力学、与星际航行有关的空气动力学，则是空气动力学者们义不容辞的任务了。

陨星的空气动力性能研究

在自然界里，超音速气流是稀有的，高超音速运动的物体也同样少见。然而人们在夏夜里经常看到的流星，却是一种天然的、速度极大的物质，它的飞行M数达到20～100。当它以这样大的速度进入大气层的时候，被空气摩擦迅速加热而焚毁，拖着一条明亮的气体光焰，划破黑暗的夜空。

未来的星际飞行，差不多要以陨星的速度飞行。现代空气动力学家们在实验室中所能得到的最高M数为20。要再提高，困难很多。而陨星是天然的高超音速运动物，因此空气动力学家们就不能只限于在风洞中作实验，而且要作一个天文学家，或者和天文学家通力合作，以观测和研究陨星的运动。当获得足够的资料和结论之后，可以在特别的风洞中来模拟陨星的运动，并为飞船提出方案。

据统计，每小时大约有二万个陨星落入大气层，其重量达几百吨，大大小小，各色各样的都有，相当于各种模型在大气中运动一般。只因为它们速度太大，绝大多数都在80公里的高空烧毁了，有幸落入地面的不多。

可见柔软的大气，对于极高速度运动的陨星或飞船来说，有如一层装甲。正因为如此，生活在大气底层的人，才免于遭到这些天外炸弹的轰击。也正为此，却给人类的宇宙飞行带来了麻烦。

星际飞船的着陆

星际飞船，在起飞的时候，速度是逐渐增加的，气动力加热还不太严重。但返回地球时，加热特别严重。载人的宇宙飞船是不能让其烧毁的，为此必须减低它的飞行速度，其方法可采用空气动力刹车，借空气阻力，将飞船速度减少；或者采用由耐火板材作成的降落伞；或者在飞船上装以活动的机翼，在正常飞行时将其收拢，着陆时张开它，并使它所产生的升力正对地心，围绕地球作螺旋式的滑翔，待速度很低之后再着陆。

关于星际飞船的起飞着陆的研究，不仅适用于地球，也适用于别的有气体的星球如火星、金星等。即使没有气体的星球，如月球，也可用气动力刹车的方法。因为，可用人工方法来造成气体。