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铸剑为犁之空气动力学 跑得太快容易起飞?

王啸辰 向Ta提问

来源:网通社 原创 2018-08-17 07:18

在上一期《铸剑为犁》选题中,我们介绍了源自军事领域的汽车轻量化材料,在这些新兴材料的帮助下,如今的汽车可以拥有更轻的重量和更高的强度,以此来提升其性能表现。那么现在问题来了,汽车的整备质量真的越轻越好?重量降低了会不会带来什么弊端呢?本期《铸剑为犁》选题我们就来聊聊另一项源自军事领域的技术:空气动力学。

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上期回顾:《铸剑为犁之轻量化材料 只为更轻更快更安全


如果飞机想飞的更高更快,自然需要非常轻盈的自重。同样的,在汽车轻量化成为主流方向的技术背景下,更为轻盈的车身在高速行驶时的稳定性也在受到很大的考验。通俗的讲,就是我们常说的某款车开起来感觉“发飘”,尤其是在高速行驶时这个现象会更加显著。为了解决这个问题,汽车工程师在研发新车时引入了原本属于航空领域的空气动力学。

速度越快 越需要考虑空气的存在

空气对于移动的物体到底有多大影响,其实简单想象一下就能理解。试想以下场景,在时速20km/h的车里把手伸出车外(有安全隐患,不建议真的这样做),你能感受到手心有清风徐来的感觉;速度提高到40km/h时,你的手开始受到较强的风压;继续将速度提高到80km/h,此时你需要调动手臂以及肩膀的肌肉,才能维持姿态;如果速度进一步增加到200km/h,你可能会面临手臂骨折的风险了。

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研究空气对高速运动物体产生的影响,就是空气动力学。在飞机发明之前,空气动力学主要应用于子弹等高速飞行物体的研究,并通过优化造型来实现更低的风阻和弹道稳定。

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与轻量化材料一样,随着航空工业的发展,飞行速度越来越快的飞机也促进了我们对空气动力学的认识。与子弹飞行时所面对的空气影响相比,飞行姿态变化更多的飞机所需要的空气动力学挑战要复杂许多。尤其是军用战斗机,除了要解决飞得起来之外,还得兼顾速度、机动性等等性能。

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出于对性能的要求,当时的战斗机设计师和工程师都在不懈余力的采用各种办法来改善飞机的气动性能,因此也增加了制造工艺难度和成本。正是由于经过第二次世界大战的洗礼,我们对空气动力学有了更为深刻的认识。

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如果说亚音速时代的飞机工程师已经被空气这个看不见摸不着的“魔鬼”虐的体无完肤,那之后飞机突破音速时代的挑战则可以用“惨不忍睹”来形容。在飞行器突破音速之前,会遇到一个被称为“音障”的物理现象,此时飞行器遇到的阻力骤增,升力突降,就算是凭借大功率引擎的“蛮力”突破音速,也无法有效解决超音速阶段飞行器可控性变低的问题。

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随着我们对飞机空气动力学特征的深入研究,最优化的设计造型其实已经被发现。因此,今天我们看到了许多最新型的战斗机无论来自哪个国家,其外形设计都能有许多相似的布局。与飞机刚刚诞生的年代相比,原本百花齐放的飞机造型到了今天已经越发雷同,虽然少了视觉上的新意,但却能为当今的飞机带来性能方面的飞跃。

空气动力学同样适用于汽车研发

与军用飞机的发展轨迹类似,汽车也在朝着越来越快的路线发展。上一期《铸剑为犁》选题我们介绍了汽车轻量化材料的发展,轻盈的车身加之更快的车速,空气对车辆行驶性能的影响也更为直接,因此在新车开发时工程师也需要考虑汽车造型的气动特征,并借助空气动力学来提高行驶性能。

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我们先看看空气动力学在赛车领域的应用。与一般的民用车相比,竞技运动中的赛车对于速度和性能的追求更为极致,因此赛车的气动外形也十分讲究。无论是F1、WRC或者DTM赛事,我们都能看到那些赛车身上“武装到牙齿”的空气动力学套件。

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与追求速度的赛车相比,民用车辆的速度相对要慢了许多,空气对车体行驶表现的影响也相对较小,因此并不需要通过大量造型夸张的气动套件。但是即便如此,我们还是能在量产车上看到许多符合空气动力学的设计特征,其主要用途更多的是出于对安全和舒适性的考虑。

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文章标签: 空气动力学 汽车设计 军事 技术 责任编辑:王啸辰
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