《科学公开课》抖音开播 中科院崔凯直播科普飞机“体型”的奥秘

自1903年莱特兄弟发明世界上第一架飞机开始，人类对于飞机飞行速度的追求就从未停息过。飞机的外型对飞行速度有何影响？为什么飞机要设计成这样？不同用途的飞机在外型设计上有什么讲究？在中国科学院《科学公开课》系列抖音直播中，崔凯研究员就这些问题一一进行了解答。

崔凯是中国科学院力学研究所研究员，主要从事飞行器外形设计和优化工作。在2月22日晚8点的抖音直播中，崔凯从飞机的“体型”及其背后的原理、未来的高超声速飞机“体型”等方面展开为大家普及飞机体型设计背后的科学原理。

“如果把飞机比喻成一个人，那么发动机就是心脏，结构系统是骨骼，飞控系统是神经，飞机的外形则是人类的体型。飞机看上去十分复杂，但是它在飞行时的基本受力只有重力、发动机推力、升力和阻力四个力。飞机的“体型”之所以不断发展，就是为了更好地利用空气动力，即升力和阻力的合力。崔凯以人做比喻进行讲解，让大家对飞机的结构有了直观的认识。

崔凯在直播中介绍，飞机空气动力主要来自于机翼上下表面的压力差，这种压力差在垂直方向上的差值形成升力，在水平方向上的差值形成阻力。空气动力与机翼面积、飞行速度、升力与阻力系数这三个因素呈正相关，与空气密度呈反相关。

目前，常见用途的飞机包括：追求速度与航程的战斗机、追求经济性的民航飞机和追求性能的超大容量运输机。不同飞机的用途决定其不同的升阻比，升阻比越高，在同样的条件下飞得越远，并直接影响了机型，因此飞机机型的好坏只是相对的。

接下来，崔凯结合飞机的速度发展历程解释了飞机“体型”背后的科学原理。他介绍，早期的飞机受限于技术水平，只能使用螺旋桨发动机与木制的双层机翼，升力系数小，飞行速度慢。后来，人们逐渐认识到双层机翼飞机存在着重量大、阻力大等问题，需要更强有力的发动机、更轻且结实的材料和更合理的外型。基于此，飞机外形从双翼外形向单翼外形的转变产生。

而机身呈流线型且具备先进尾翼的单翼飞机又由于空气存在可压缩性，会受到增加的阻力从而减缓其飞行的速度。为了解决这种问题，科学家研制了后掠翼，即翼尖小翼技术。21世纪后，随着飞行技术的快速发展，人们研制出了机头尖、机身细长的超声速飞机，它采用大后掠三角形机翼，极大地减小了飞行时的阻力，帮助实现超声速飞行。颇具代表性的是如今飞得最快的“双三”飞机——美国SR-71“黑鸟”。

在直播最后，崔凯结合自己工作的经历，向大家介绍了高超声速飞机的前世今生和未来发展。所谓高超声速飞机，就是飞行速度超过5倍声速、每小时飞行距离超过5000km的飞机，“如果真的可以研制出高超声速飞机，那么地球真的变成了地球村。”根据国内外的经验，超声速飞机大多都非常扁平，内部装载空间很小，只能用于飞行实验或者特殊需求，无法满足高超声速飞机“飞得远、装的多、载的重”的使用需求。

为了达到高超声速飞机可以载重物的目标，科学家们只好将它设计得“胖”一点。但随着而来的是飞行器上方气流压缩增强导致阻力增大的难题。据研究，减少“垃圾气流”的产生几乎不可能，“既然回收不了，那可不可以进行回收利用呢？”经过崔凯研究团队10余年的实验探索，终于找到了答案：增加高压捕获翼。

高压捕获翼可以捕获有害的高压气流，形成二次压缩，而且理论上产生了更大的升力助力飞行。由于现在科学家们做的工作处于相对基础的层面，要实现超高速载人飞行还有很长的路要走，但崔凯表示，相信在大家的努力下，设想一定会成为现实。

《飞机“体型”中的奥秘》是中科院《科学公开课》中的一期，该公开课旨在激发中小学生的科学好奇心、增长科学知识。据了解，该系列课程于1月25日起，每周二、四、六晚8点在抖音直播，其精彩内容还将以频道合集形式纳入抖音青少年模式，激发更多青少年学习兴趣。用户在抖音搜索“中科院物理所”，即可关注预约直播。