[航空航天技术概论]作业2

武汉大学《航空航天技术概论》作业2

题目：新型飞行器的设计与展望

学院：物理科学与技术学院

专业：材料物理

姓名：曾瑞

学号：

[1**********]19 2013年7月20日

新型飞行器的设计与展望

根据本人的想象，我设计了一种特殊的飞行器，取名为多功能航空航天飞行器。之所以取名为此，是因为其既可以用于航天，又可用于航空，其功能十分强大，属于多功能的飞行器。它能完成的使命有：可代替当前的飞机进行货物和人员的运输；还能作为宇宙飞船飞入太空，进行相关的太空探索；在空战中能作为战斗机发挥重要的作用。

对于本飞行器的外形设计，其与目前的飞机大相径庭。当前的飞机一般都有机翼，而且是呈现长圆筒行的。在本人的设计中，此飞行器外形像一个碟子，这与传说中的UFO有些相似。之所以将其设计为碟形，主要由以下几点：①碟形有利于飞行器对周围空间的观察，前后、左右、上下360度无死角；②碟形由于具有较高的对称性，其飞行的稳定性很好，而且，其加工工艺更为简单；③碟形的抗击能力更强，不易损坏。举个例子，试比较一块瓷碟与一根瓷筷子，哪个更容易折断？答案毫无疑问是筷子，其原因是瓷筷子容易受力不均匀，其结果是折断。然而，碟形具有高度的对称性，受到冲击时，作用力比较均匀，因而不容易破碎。这也就解释了为什么当前的飞机在发生事故时往往是机毁人亡的原因，而且飞机的抗冲击能力的改善仅仅通过提高材料的强度是不够的，碟形飞机的设计能够带来新的启发。④与常规飞机相比，由于没有机翼，可以省去一部分的建材。因此在使用相同量的建材时，碟形飞行器所创造的空间更大，载重更多。

飞行器机身是由超轻型的碳纳米材料制造。碳纳米材料的硬度很强度很高，在相同质量的前提下，其强度是钢材的几百倍甚至上千倍，

因而其重量大大减轻。由于碳纳米材料的高强度，加上碟形设计的高稳定性，这无疑是“如虎添翼”。飞行器的抗击能力会大大提升，即使不幸发生事故，也不会落得机毁人亡的下场。另外，虽然碳纳米材料的主要成分是碳元素，但是由于纳米碳的特殊结构，其耐火和耐高温性能大大提升，是典型的不易燃物。因此，完全没有必要担心发生火灾或飞行器被烧毁的危险。

飞行器中的有磁场激发器，能够保证飞行器悬浮在空中。当前的飞行器利用的是空气动力学的原理，即利用由于机翼两侧空气流速不同产生的压力差，使飞机能够飞起来。但其中有很大的缺陷，一是在空气稀薄的情况下，飞机很难获得应有的升力，机翼必须做得很大；二是通过与空气的相互作用，空气阻力是不可忽略掉的，这成为飞机速度提升的最大障碍。通过磁场激发器产生的强大磁场，可以与地球磁场相互作用，让飞行器像直升飞机一样悬停在空中，这和磁悬浮列车的原理是类似的。但是要产生足够强大的磁场不是一件容易的事，因为一般的线圈还做不到这一点，需要用到超导材料才能产生足够的磁场。此外，超导的实现要在室温下实现，就必然要求有相应的高温超导材料。目前的超导温度与之相比还有一定距离，但是通过对高温超导材料的研究与开发，寻找新思路在，这一目标在今后还是可以实现的。

此飞行器可以达到极高的飞行速度。当前的飞行器运用到的是空气动力学原理，这在前面已经提到过了。由于空气阻力的影响，速度越高，飞行器所收到的阻力也就越大（一般情况下，阻力f与速率v

的三次方成正比，速度更高时更加复杂）。而且由于摩擦力的作用，飞行器的外表会由于相互作用而产生大量的热量。热量的产生会导致机体表面产生高温，这是不利于飞机结构的保养。而且，有些情况下还会危及机内人员的安全。要提高速度，就必然要排开空气的影响，一种方法就是要让空气与飞船相隔绝。这一思想与光电门的原理颇为相似，后者是通过吹气使滑块与导轨不直接接触，因而达到大大减少摩擦阻力的作用。排开空气的机制是通过飞行器表面产生的电场，让周围的空气被电离，然后通过施加的磁场，使空气电离出的分子被抛出飞行器表面，因而飞行器表面近似真空。由于没有空气的作用影响，飞行器进行加速和高速飞行也就容易得多。而且，加速达到某一速度后，发动机可以停止工作，这时飞行器仍能以这一速度一直运行很长时间，当速度有显著的下降时可以开启发动机。不用说，这种方法大大减少了能量的消耗。值得指出的是，这一速度当然不可能达到或者超过光速。此外，由于没有与空气的直接作用，飞行器在飞行的过程中不会产生声爆现象，因而其产生的声音很小，不易被察觉到。这种性能对于秘密作战的战斗机也是很重要的，因为具有很好的隐蔽性。

飞行器如何进行方向的控制及加速。如同一个人不能通过拽住自己的头发而将自己拉离地面那样，飞行器不可能不通过与物体之间的作用而使自己运动起来。在航空中，飞行器可以通过喷气的方式进行加速及方向的控制，这有点类似于当今的喷气式飞机，但又有所不同。该飞行器由于是碟形的，因而可以在其360度的方向上配置喷气孔，通过调节各个喷气孔的喷气强度来进行方位的控制。与当前的飞机通

过调整机翼的倾斜角度相比，这种调节方式可以转变任意的角度，因而其机动性大大提高，这在空战中尤为重要。在航天上，由于置身于大气层外，没有空气，当然不能依靠喷气来改变航行方向了。除去通过携带大量的气体来作为喷气源外，有没有一种更为便捷可靠的方法呢？有！可以利用发射光子来获得反冲力。因为光子也有动量，根据p=h/λ，当波长越小时，动量越大。当发射出光子时，飞船也就可以获得相应的反冲力，从而推动着飞船的前进和方向的控制。但是，由于发射出来的光子的波长很短，能量很高，对于生物来说就有很强的杀伤力。因此，以光子束作为推动力只能在太空中或星球探索中使用。在一般的航空领域，我们的飞行器仍只能使用喷气。但是，在军用飞机上，此光子束可以作为一种高端的武器，能够是被之击中的敌机瞬间毁灭，这比携带导弹方便多了，而且不会增加飞行器的负荷。

飞行器的能量来源。现在的飞行器充一次电或加一次油，往往不能飞行很长的时间，这当然不利于长期作战或进行太空探索。在本飞行器中，率先引入了氢核聚变系统，该系统提供必需的能量，而且其核聚变产生的氦气可以作为喷气的来源（虽然其贡献非常之小）。该核聚变系统装在一个较小的方形箱子中，由于热核聚变的温度太高，对约束系统的要求太高，故不可能做得很小。因而，本核聚变系统中的核聚变属于冷核聚变，即在较低的温度下就能进行核聚变。核聚变能够产生非常强大能量，例如1千克的氢核通过聚变产生的能量足够飞行器使用上几十年之久。面对如此强大的能量，我们完全没有必要担心发生核爆的危险。因为，每一次进行核反应的氢核的量是严格控

制的，而作为反应的氢与其他的氢是完全分离开的。通过这样一种核聚变提供的能量，飞机器减轻了自身重量，能够航行很长的时间。

关于飞行器的自身定位。在飞行器里面，定位是一个非常关键的环节，通过定位能够弄清楚飞行器所处的位置，而且测算与目的地之间的距离。当前的大多数飞机使用的是GPS全球定位系统，即通过卫星来进行自身方位的测定。其缺点在于，如果卫星受到攻击，那么飞行器则无法进行定位或者与地面的指挥中心进行联系的保持。在此飞行器中，有一个地磁场探测器，其作用是检测磁场的强弱。由于地球本身是一个大的磁体，每个地方部分的磁场大小和方向均不一样，所以磁场的分布有一定的特征性。当然，要通过磁场来判断方位，则需要一张地球磁谱图。而磁谱图的获取很简单，只需进行一次磁扫描即可。磁场定位的实现意味着飞行器将不需要卫星定位，在敌方摧毁定位卫星的情况下，仍能自如行动。当然，也可以与全球定位系统综合使用，达到取长补短的目的。

关于飞行器的本身安全方面。在当今的世界，飞机面临的头号杀手不是恶劣的天气，亦不是人祸，而是鸟类。由于飞机的飞行速度很快，鸟类相对飞机的速度很快，如果碰上飞机，则飞机很可能会被撞出一个大窟窿，使飞机遭受严重损伤，甚至机毁人亡。在人类的航空史上，有许多的空难就是由于鸟类的活动造成的，世界上的很多的飞机场也采取了很多的办法来消除其产生的影响。在本飞行器中利用了电磁场的作用，由于较强的磁场可以影响鸟类的行为，可以通过设定某一强度的磁场，控制附近鸟类的飞行，让其不能靠近，因而大大降

低了飞机被鸟类撞击的可能。此外，飞机与飞机之间的碰撞也是有可能发生的偶然事件，如何才能制止这一悲剧的发生呢？本飞行器利用了同名磁极相互排斥的原理，飞行器相互之间距离越近，磁相互作用也就越强，一定程度下可以推开两个靠得非常很近的飞行器。如果所有的飞行器都能用上同一磁极，那么飞行器相互碰撞而毁灭的可能性便大大降低。也许，有人会担心在飞行器上大量使用磁场会不会影响机内人员的身体健康。其实，这有一定道理，但是由于飞行器的材料中有一些能够对磁场产生屏蔽作用的合金材料，比如一定量的纳米碳和纳米合金组合成的复合纳米材料就具有很高的强度，又能够很好地将磁场的影响给消除掉，因此不用担心。

关于飞行器内的一些设计。飞行器内具有全自动系统，采用智能化的系统，已经不再需要任何人员来驾驶。智能化的系统采用可以使飞行员从驾驶中解放出来，而且也避免了因飞行员疲劳驾驶或判断错误而产生的一系列问题。另外，对于运载人员的飞行器，其内部依托于飞行器的碟形结构而设计成体育馆的形式。中间是运动员活动中心，周围是一排排观众席，观众可以坐在席上观看生动活泼的足球比赛或者各种田径运动，当然，也可以将NBA给复制上去。这样一来，乘客在进行长途旅行的过程中可以欣赏一场场精彩的运动赛，给旅程增添不少乐趣。此外，舱内还有一些十分细致入微的个性化设计，比如座椅的设计等，很多东西都可以从生活中得到启发。

本飞行器不需要像当前的飞机那样需要常常的跑道，而且当今飞机发生事故最多的情况往往是起飞和降落。由于飞行器能够通过磁悬

浮，可以像直升机那样上下垂直运动，不用跑道，从而大大节省了空间，也在很大程度上减少了发生事故的可能性。当前的飞机飞行受天气的影响很大，比如一次偶然的暴风雨就可能使整个机场的航班全部取消，导致无数的人员滞留。其受制于天气状况的一个重要原因是云层放电的影响，云层之间的放电往往会导致飞机被雷电击中，很容易弄得机毁人亡。其实，雷电的产生伴随着磁场的变化，通过飞行器自身磁场与雷电磁场的耦合作用，使得雷电取向发生位移，从而有效地避开了飞行器，避免了飞行器被击中的厄运。当然，这只是一种十分保守的办法。一种更为积极的办法是让飞行器配备上一种雷电转化材料，其作用是将雷电释放的巨大能量转化成可以储存的能量。例如，可以将核聚变反其道而行之，让氦核重新裂变成氢核，从而将雷电的能量储存起来。所以，当你作为飞行器中的一员时，偶然地发现飞行器被雷电击中，请不要惊慌，这是飞行器正在吸收雷电的能量，给自己充电呢！有了这样一种功能，飞行器的起飞运行时间再也不受制于天气，这对于旅行来说方便了很多。

当然，前面已经介绍了很多功能，能够使得飞行器幸免于难。但是，一切都不能说得太绝对，一些偶发事件也可能造成事故的发生。所以，一旦发生事故，对于飞行器的自救来说十分重要。如果飞行器将要坠落，飞行器的自保系统会立即启动，将一个超大型的降落伞打开，用于帮助飞行器减速。另外，飞行器也可以借助于喷气系统减速。在触及地面后，飞行器中特有的减震缓冲系统可以稀释因碰撞产生的冲击力，因此提高了乘客的幸存率。如果坠落的地点是海面，则完全

不用担心，因为飞行器的独特设计以及超轻的制作材料，会使坠落的飞行器能够漂浮在海面上，犹如一艘在海面上的轮船。求生者只需发射求救信号，便可等待救援力量的到来。

前面已经对飞行器的设计和功能等方面进行了大致的描述，下面来谈谈对设计过程的控制以及测试方面。对于设计的控制，首先要考虑的是成本因素方面的问题。比如，采用超轻碳纳米材料需要考虑到其成本价格，对于不久的将来来说，碳纳米材料的应用会很普遍，而且其成本会很低。因为，自然中碳元素的含量很多，而且制造工艺会不断改进导致成本不断降低。另外，对于飞行器的大小设计也是一个值得考虑的问题，是直径100米还是300米？当然并不是直径越大越好，这需要根据飞行器的载重量和强磁场的产生能力大小来设计。比如，一艘战斗机不需要有多大的直径，而运送货物的飞行器则需要较大的载重能力，因而可以设计得更大些。对于能源设计的控制，要考虑到技术水平。如果技术有限，核聚变还不能用于小型化，则可以考虑设计太阳能电池提供能源。因为太阳的光能是无处不在的，利用太阳能供能是十分经济和方便的手段。另外，对于设计过程的一些细节控制，比如如何设计喷气孔的大小，以及如何设计涡轮的形态才能达到所需要求，这些都是设计过程的细节方向，需要有一定的目标来约束它们，使总体目标向最优的方向迈进。

再次，是关于测试方面的问题。要测试此飞行器的性能，必然要使之与其他类型的飞行器或者改进前进行对比。就飞行速度而言，可以通过与其他类型的飞机进行直接的飞行比较，也可以通过雷达来测

出其飞行最大速度。当然，如果飞行器仍处于实验研究阶段，进行大型的飞行器的实验，代价会很昂贵，则首先可以将其做成微型的，通过相应的比例进行压缩，然后再来测试。不过，这样缩小化的模型会给实际的飞行器产生一些的影响。因为，比如尺寸的变化导致飞行器的受力情况或者稳定性有很大的改变。所以微型化只能当作一种操作的方法，最终仍需对大型的飞行器进行实验测试。对于实验测试的方面，主要包括一些方面：①飞行器的最大飞行速度；②飞行器飞行的最大高度；③飞行器周围空间的真空度；④单位飞行距离的耗能量；⑤飞行器的机动性能，即方向改变的快慢；⑥飞行器的抗撞击强度及耐温能力；⑦飞行器的单位重量产生的推力等等。这些测试方面都是此飞行器最重要的方面，飞行速度越快，效果越好；磁场越强，飞行的高度越高；真空度越大，飞行器所受的阻力越小；飞行器的机动性能越好，作战能力越强，应变能力越高；飞行器的抗撞击能力越强，则其越不易被损坏，乘客的幸存率越高。关于飞行器的测试方面，还有很多不容忽视的，由于篇幅的限制，这里就不做一一介绍了。总之，对于测试，需要按照一定的流程来进行，同时还要符合客观事实，反映客观规律。通过测试的结果与理论结果进行对比，找出一致性与差异性，并通过测试来控制指导飞行器的进一步设计，使其性能达到最优，满足或者接近预期效果。

至此，本飞行器已经基本上被设计出来了，而其应用前景也是颇为广泛的。其一，该飞行器可以大量用于民航。该飞行器具有超快的飞行速度、超强的载客能力、超低的事故发生率以及超高的乘客幸存

率，将使得其倍受青睐，必将推动人类航空史上的巨大革新。其二，该飞行器可以大量用于军事国防。该飞行器即可用作战斗机，又可用于侦察机。作为战斗机，其机动性十分高超，作战半径非常之广，而且其特有的光子束系统作为武器能给敌机以毁灭性打击。作为侦察机，其不会产生声爆，加上涂上隐身材料，具有很好的隐身性能，可谓来去无踪。飞行器上可以安装上红外夜视仪，让敌人无所遁形。此外，与其他一样安装高分辨率照相机，进行各种侦查活动。其三，该飞行器可用于航天领域。正如之前所说的那样，该飞行器可以利用自身设计的本领在太空中自由翱翔，而且航程遥远，运行速度快，可以代替许多笨重的航天器。而且，由于此飞行器能够通过大气层直接进入太空，因而不需要火箭发射。在节约成本的同时，又减少了太空垃圾，一举两得。鉴于此，此飞行器将在今后的航空航天领域得到广泛应用。

虽然，当前的科技发展水平与本文中的设计的飞行器所需技术相比，还有很大差距，但发展趋势是不可改变的。随着科技的发展，人类总会有一天能够使用得上多功能航空航天飞行器，甚至在功能上有所超越，敬请期待！