陈玮玮
高速飞行的飞行器，在飞行过程中会与空气剧烈摩擦，带来上千摄氏度的高温，这样的温度可以熔化或损坏飞行器。
人类通过皮肤出汗，可以带走身体多余热量，来维持体温恒定。那幺，能否让飞行器模仿人体“出汗”，来解决高温难题呢？会“出汗”的超声速飞行器，能经受住高温的“烤”验吗？
极速飞行要翻越的两座“大山”
声障
自飞行器诞生以来，人们对飞行速度的追求从未停止。当飞行器的速度达到或者超过声速时（空气中的声速在1个标准大气压和15摄氏度条件下为340米/秒），其前方的空气被一层一层地压缩成一堵密度很高的“空气墙”，形成激波（又称冲击波）。这使飞行器阻力急剧增大，速度衰减并剧烈振荡，出现声障。
冲破声障
飞行器要想突破声障，必须耗费成倍的能量。工程师需要重新设计飞行器的气动布局，以减小阻力；机身所使用的材料，也必须更加结实，而且能耐受一定的高温，否则飞行器结构就可能遭到损坏。
热障
摩擦生热
随着飞行器外形的改进和航空发动机性能的提升，突破声障早已不是难题。然而，当飞行器以如此快的速度飞行时，周围的高速气流会与飞行器发生强烈摩擦，飞行器表面的空气温度会急剧上升，产生“气动热”。
随着飞行器飞行速度和飞行时间的大幅提高，“气动热”在极端条件下引起的高温、高热流，会大大超过材料耐温极限，同时也会引起飞行器内部温度升高，使舱内工作环境恶化。
呈指数增长的温度
当飞行器速度达到3倍声速时，其前端的温度可达330摄氏度；当速度达到8倍声速时，飞行器表面的温度则会升至上千摄氏度，这超过了绝大多数材料的耐受温度。
这种随速度呈指数增长的“气动热”，足以将飞行器烧毁，即出现热障。如何高效散热、突破热障，是当前超声速飞行器要翻越的另一座“大山”。
树木的蒸腾作用示意图
源自大自然的降温智慧
植物的蒸腾作用
大自然蕴含着无穷的智慧。很早之前人们就知道，在酷暑时节，“大树底下好乘凉”——树叶能遮住阳光，树下通风好，树叶里的水分蒸发要吸收热量，使周围的空气温度降低。
如下图所示，树根从土壤中吸收水分，通过根、茎、枝内极细的导管向上输送水分；最后，水分达到树叶并以水蒸气的形式排入大气。这个无声的过程被称为蒸腾作用。
当阳光照射到叶片上时，大部分能量转化为热能，如果温度过高，叶片会被灼伤。但是，在蒸腾过程中，水变为水蒸气时会吸收热能，使叶片表面的温度降低。这样，即使叶子在强光下进行光合作用，也不会因为温度过高而受到损害。
人体的蒸发散热
植物通过蒸腾作用来降温的智慧，同样在人体散热上有类似的体现。那幺，人体是如何维持体温恒定的呢？
尝试在手背上滴一小滴水，用嘴对着水滴吹气，滴水处会逐渐感到凉爽，这就是蒸发散热。
如果剧烈运动或其他原因使体温升高，血液流经肌肉和组织，会把多余的热量带到皮肤表面，刺激皮肤上的汗腺产生汗液；汗液通过皮肤上的微小毛孔逸出，到达皮肤表面就蒸发了；热量随着汗液的蒸发被带走，皮肤温度降低，体温就可以维持恒定了。
人体通过出汗散热，维持体温恒定（绘图/闫丽芹）
飞行器也能“出汗”降温？
植物通过蒸腾作用降温，人体通过皮肤出汗带走多余热量，那幺，能否让飞行器模仿植物的蒸腾作用和人体的出汗，来缓解“气动热”带来的高温难题呢？答案是肯定的！
给飞行器“发发汗”
研究人员在飞行器的高温部位，嵌入形状类似汗腺的微小通道网络；利用压力泵将飞行器自身携带的冷却剂注入高温热气流内；制冷剂在从多孔防护层流向飞行器表面的过程中，可以连续吸热，从而阻断“气动热”对飞行器表面的热侵蚀，并形成有保护作用的气膜层。这样可以弱化飞行器壁面与高温主流流体的直接换热，使飞行器表面的温度得到有效控制。这种冷却方法就是航空航天领域常用的发汗冷却。
发汗冷却的工作原理（绘图/闫丽芹）
优势明显的冷却方式
可重复使用且防热效率高是发汗冷却显着的优势。从理论上讲，只要系统提供足够的冷却剂，发汗冷却系统就可使饱受“烤”验的飞行器实现长时间的稳定工作。当飞行器的制冷剂耗尽后，只需重新补充制冷剂便可再次对飞行器进行冷却。
根据这些优点，发汗冷却可用于飞行器的头锥、发动机喷管（使气流降压增速的管道）喉部、发动机燃烧室等高热流部位的温度控制。
燃烧室位置示意图
发汗冷却应用于头锥（绘图/张玲）
发汗冷却应用于燃烧室（绘图/闫丽芹）
植物蒸腾作用和人体蒸发散热，启发研究人员设计了能“出汗”的超声速飞行器。大自然是一个充满智慧的世界，它是一本无尽的教科书，为我们提供了无数的生活启示。希望读者朋友们能从大自然中汲取养分，让它指引大家的成长之路！
（责任编辑 / 高琳 美术编辑 / 周游）
