第六百四十二章超音速擾流難題

相對比上個世紀紅藍雙方冷戰時，無論是紅蘇還是米國設計制造的航天飛機，星海號的優勢真的太大太大了，說是跨越級質的飛變都不為過。

不過盡管這樣，星海號本身所承載的貨物重量，或者說能攜帶物資攀爬重力井的數量依舊是有限的。

從目前星海號多次無人航飛的實驗和測試數據來看，星海號最多能攜帶接近五十噸，準確的數據應該是48.75噸的物資攀爬重力井進入外太空。

這個數據比之前通過空天發動機和小型化聚變堆聯合模擬計算的六十多噸有一定的縮水和誤差。

不過這是很正常的情況，畢竟之前的模擬數據是建立在超算和各種條件基本完美的情況上的。而實際上，星海號的設計并未能達到完美，無論是機翼還是流體氣力平衡這些，都需要一步步的實驗后進行優化和調整。

接近五十噸的近地軌道轉移能力，對于航天的發展來說，這一載荷不說小，但也稱不上有多大。

畢竟傳統化學燃料運載火箭的載荷，如果是大型和超重型的，比如長征9號，亦或者SpaceX公司的BRF，其近地軌道轉移載荷都是幾百噸起步的。

設計制造第二架航天飛機，一方面是為了補足星海研究院在航天領域載荷的空缺，增加航天運輸能力。

兩架航天飛機，如果進行載人登月或者進行月表基地建設的話，其運輸物資的能力可不是50噸50噸，而是遠大于5050。

以星海號航天飛機貨艙的體積和大小，以外太空沒有重力及空氣阻力的感染，星海號一次可以攜帶數百噸的物資前往月球。

這種情況下，完全可以讓兩架航天飛機互相配合。第一架先攜帶物資上天，進入近地軌道后調整運行軌道，然后由第二架航天飛機攜帶物資進行補充。

其方式類似于空間站與航天補給船的對接物資轉移類似。

這是第二架航天飛機設計建造的主要原因之一。

而另一個重要原因則是‘星際救援’！

《火星救援》《地心引力》這些航天電影想必都很熟悉，講述的就是星際救援。

在現代航天領域，既然能上天，那就自然會考慮到宇航員被困在外太空的災難事故發生的情況，各大航天國也都有‘航天救援’或者說‘太空救援’的對應方法。

但受限于各方面的技術，實施起來太難了。

而使用電推進的星海號則不同。相對比傳統航天器進入外太空后沒有什么動力和續航的狀態，它能以最快的速度完成航天不說，且在外太空擁有著十足的軌道調節能力。

應用小型聚變堆空天發動機作為功能和動力系統的新一代電推進航天飛機在動力和續航方面完全不是問題。

它能做到即便是前后無數次的救援對接失敗，也能一次次的調整好軌道重返出現問題的航天器身邊，完成救援工作。

另一邊，星海研究院中。

在將航天相關的工作都交給翁筠宗后，徐川回到了自己的辦公室中，思索著該如何解決航天飛機在返回進入大氣層時面臨的高溫和熱障問題。

這是一個世界級的難題，從上個世紀蘇米雙方的太空競爭開始，或者說從人類研發出第一艘進入太空的航天器開始就存在了。

大幾十年的發展時間，盡管航天領域的研究員和學者們想過無數種辦法，但卻從未能解決這個問題。

當然，對應的改良思路和方法，自然是有的。

而其中最出名的，應當屬米國NACA航天局（NASA宇航局的前身）的物理學家亨利·艾倫教授所提出來激波理論。

1951年，亨利·艾倫在機密的內部研究中發現，高速再入大氣層的航天器前端對空氣會產生一種強烈的壓縮效應。

即在航天飛機返回的時候，飛機頭部會在前方大氣中形成一個傘狀的激波錐，激波前沿的空氣密度則會急劇升高，最終在航天器前面像一堵移動的墻一樣，而航天器則在激波錐的尾流中前行。

簡單的來說，可以理解為航天飛機在返程時，溫度最高的并非航天飛機本身，而是航天飛機頭部處產生的‘激波錐’。

而‘氣動加熱’也主要由激波前沿和前方的靜態空氣之間的壓縮和摩擦產生。

根據這一理論，亨利·艾倫認為如果航天器表面和激波前沿保持一定的距離，既可以大幅度的降低航天器表面的摩擦溫度。

通過這一想法，亨利·艾倫設計出來了鈍形的航天器頭部，并通過實驗和最終的論證，確定了這一理論有效果。

這就是為什么目前各國研究的宇宙飛船、航天飛機、洲際導彈的頭部都采用鈍頭錐體的原因。

因為航天器的鈍形頭部可以有效地在減速過程中，在艏部推出一個寬大和強烈的激波，并使波前鋒遠離艏部和周圍，就像平頭的駁船船首推開的波浪一樣。

而這些天來，徐川一直都在搜索翻閱相關的資料和論文，思索著如何進一步的改進亨利·艾倫教授的激波錐理論。

相對比傳統的隔熱、散熱、耐熱等材料和技術來看，激波錐理論這是他目前最看好的一條路線。

這是航天飛機極高的速度決定的。

在日常的生活和大部分人所學過的物理中，如果要降低氣動阻力，以減少氣動加熱，那么應該讓物體的體積盡量的小。

因為當物體的體積變小時，與空氣摩擦面積也將減小。因此，在強調速度和效率的領域中，通常會選擇盡可能小的物體設計。

但在航天器上，這一理論是失效的，尤其是在返回再入大氣層的過程中，航天器極高的速度使氣動加熱的升溫速度太快，尖銳的頭部對減小氣動加熱的作用微乎其微。

而頭錐在時間和空間上受到高度集中的熱負荷，根本沒有時間散熱，將很快被燒毀。

傳統的耐熱材料或隔熱、散熱、導熱技術只能略微推遲被燒毀的時機，但不能從根本上改變被燒毀的結局。

而激波錐這條路線，更適合極高速度的航天飛機。

辦公室中，徐川思索著激波錐相關的理論。

雖然說亨利·艾倫教授的激波錐理論為航天器的鈍形頭部帶來了一定的優化辦法，但這個問題依舊存在，且最為核心的數學理論并未解決。

書桌后，思索了一會后，他從抽屜中摸出來了一疊草稿紙，沉吟了一會后劃動了手中的圓珠筆。

這是'超音速擾流問題'的方程組。

簡單的來說，當一個飛行體在空氣中以超音速的速度飛行時，一般在飛行體前方就會產生一個激波。按相對運動的觀點也可理解為，當一個超音速氣流越過一個固定物體時，由于物體的阻繞，在物體前方會形成一個激波。

也就是之前所說的航天器頭部的激波錐，這個激波錐的形成，將大大改變氣流的狀態，從而改變物體受力的情況。

研究這種‘超音速氣流’受固定物體阻繞后所產生的激波面的位置，以及波后的流場就稱為‘超音速繞流’問題。

如果用數學公式來進行表示，一般在空氣動力學中通常會使用Euler方程或NavierStokes方程來描寫流動。

其在超音速區域中為雙曲型方程，而在亞音速區域中為橢圓型方程。

而對這個方程進行研究，對于現代高速飛行技術的發展，超音速擾流問題方程組的解是至關重要的。

但遺憾的是，由于流場內流體速度的分布是未知的，所以從雙曲型方程變化到橢圓型方程的變型線也是未知的，再加上流體運動方程是非線性的

各種復雜的因素累積起來，導致數學家們在研究這個方程組，在數學分析的處理上時，會涉及非線性、混合型、自由邊界、整體解等等在偏微分方程理論中普遍認為是最困難的因素。

所以是對于鈍頭物體超音速繞流問題，由于方程的變型不可避免，至今無論是關于解的存在性、穩定性或是關于解的結構等都缺乏數學理論已嚴格證明的結果。

其難度雖然沒有NS方程和歐拉方程高，但數學界對其至今沒有多大的研究進展足以證明了它的困難。

盯著草稿紙上的公式，徐川陷入了沉思中。

鈍頭物體超音速繞流問題要想進行推導，以他的數學直覺來說，最好的方式并不是直接進行處理。

它是從歐拉方程和NS方程演變而來的偏微分方程組，要對其進行解決的話，以他目前的數學直覺來看，最好先對其做進一步的分解。

當然，有這種想法的并不止他一個，很多的數學家都在做，只是大家的理解和角度也都不同而已。

思忖了一會，徐川繼續動筆，將三維無粘可壓縮定常流方程組化為具有固定邊界的邊值問題，進一步做變換。

“.則：在三維空間oxyz中給定曲線i：xh(z)，yg（z）并給定以i為前緣的翼面，∑yψ（x，z）.”

“當來流超音速時會產生附著于前緣的激波S:yp，在僅討論原點附近的局部解時，有μ·f/xυω·f/z0，且yf（x，y）上”

手中的圓珠筆不斷的在潔白的稿紙上落下，徐川沉浸其中，不斷的拓展著自己思維。

盡管平常的時候會指點和教導自己的學生以及在南大上上課保持在數學上的活躍，但老實說，他已經有很長一段時間沒有在數學上進行過這種專注的深入思考了。

本來徐川還以為自己需要幾天的時間才能完全恢復自己在數學上的感覺，但意外的，在第一行算式寫下的時候，他腦海中潛藏已久的思緒再一次活躍起來。

就像是肌肉記憶一般，不，用DNA中刻畫的本能來形容這種感覺可能會更合適一些，在他對鈍頭物體超音速繞流問題進行分解和推導時，腦海中的數學知識，就如同流水般自動活躍了起來。

每一項的變換、分解、扭轉、處理，如呼吸般自然流暢。

漫長的時間一點一點的過去，當最后一行算式在稿紙上落下的時候，辦公桌上，已然鋪滿了列完算式的演算紙。

放下手中的圓珠筆，徐川看向了自己推導出來的算式。

當T充分小時，{(Um，φm在E〃N1中它的極限為(7)一(9)式的解，再到原始標就得到了局部解的存在性。

由于定理證明中N可取得任意大，所以這個解是C∞且光滑的！

一份關于鈍頭物體超音速繞流問題階段性的成果，在他手中完成。

整個過程流暢的不可思議，仿佛就像是清澈的溪流平滑如玉婉轉流轉一般。

就連他自己，都為此感覺到一絲驚訝。

畢竟，他已經有很長一段時間沒有專注于數學上的研究了。

而任何一件事，如果放下了一段時間，再想找回狀態必然需要花費時間這是肯定的。

就如同普通人打游戲一般，如果長時間沒玩一個游戲，那么再度撿起來的時候，狀態變差，水平降低是肯定的。

對于一名學者而言，當在自己的專業領域荒蕪的時間太久，其原本掌握的技能就會漸漸的衰弱。

這也是絕大部分的研究人員或者說學者閑不下來的原因。

甚至很多已經進入了晚年，如他的導師德利涅教授、威騰教授如今還在研究學術的原因，也正是因為無法忍受自己曾經掌握過的學識從自己的腦海中流逝。

不過在今天的數學推論中，徐川感覺自己仿佛直接跳過了恢復性訓練的過程一般，腦海中的思緒在不停的支撐著他往前走。

哪怕是早在此前NS方程就已經被解決了，但能這么順利的針對鈍頭物體超音速繞流問題做出一份階段性的成果，仍然是他所不敢相信的。

大國院士 第六百四十二章超音速擾流難題