树冠的顶级智慧:启发超音速飞行器降温新技术

作者: Stephen Ornes

来源: Physics World

发布日期: 2018-06-28

树木的蒸腾作用启发了一种新的超音速飞行器降温技术,通过模仿树木的自然降温过程,研究人员开发出一种无需泵的自适应冷却系统,适用于高超音速飞行器的冷却需求。

树木将水从根部运到叶子,给自己降温。人们观察这个过程,并从中学习到为超音速飞机降温的新方法。

人们几个世纪前就知道,树木通过将水从根部输送到叶子来降温。Stephen Ornes发现,树木降温的原理对开发超音速飞行器降温的新技术同样具有启发意义。

像所有树木一样,亥伯龙神树也依靠树干中隐藏着的一套非凡的自然工程过程来保湿和降温。这就是“蒸腾作用”:水分进入树根,穿过树干,然后通过树叶以水蒸气的形式进入大气。这是一个看不见的、无声的过程。

蒸发建立了一个压力梯度,将水从根部通过木质部向上吸,就像用吸管吸水一样。如果没有蒸腾作用,一棵树可能会因为灼热难当而无法进行光合作用。

不过,让物理学家和工程师着迷的,是蒸腾作用作为一种“被动”的流体输送系统的性质。草木和树木不用“主动”泵就能输送水分的事实可以帮助我们找到冷却高温材料的新方法,尤其在空间有限的情况下。

1947年10月14日,当美国飞行员Chuck Yeager驾驶着一架子弹形的贝尔X-1喷气式飞机以超过声音的速度划破长空,超音速飞行器时代便在公众眼中拉开了序幕。

为满足制造超音速飞机和航天器的需要,物理学家和空气动力学工程师一直在寻找新的冷却系统。例如,进入大气的太空舱会在前缘安置由树脂和玻璃纤维混合制成的“烧蚀”隔热罩。

但这种方法只是一次性的,如果你想拥有可重复使用的飞行器,并且不想每次都浪费金钱重新喷涂,那该怎么办?目前,高超音速飞行器由超高温复合材料制成,可承受高温。

为了缓解高速所带来的高温,一些超燃冲压发动机使用蒸腾系统,用泵使冷却液流过引擎。但是在这种极端环境下,用泵冷却发动机需要空间和能量。

不久前,来自清华大学的姜培学教授研究团队宣布他们在高热流密度表面热防护领域取得新的进展,并在英国物理学会出版社的期刊《生物灵感与仿生学》上发表论文,介绍了仿生发汗冷却系统。

尽管实验条件下的无泵发汗冷却系统的抽吸高度为8 cm,但研究人员认为它可以按比例放大,甚至提出了适用于超声速飞行器表面的仿生发汗冷却系统。

从最高的红杉到最快的飞机,该研究体现了超越物理学观点的价值。如果树木能启发解决未来高温问题的新方法,那么物理学家,甚至是其他学科的科学家,应该向演化中的自然系统,探寻解决问题之道。

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