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2020年“雏鹰杯”——“红领巾科创达人”挑战赛第一场孵化培训(航空专场)互动问答汇总整理

更新日期:2020/9/30来源:上海航宇科普中心

2020年“雏鹰杯”——“红领巾科创达人”挑战赛将于今年9月正式启动。为了帮助即将参赛的小选手们能够充分利用暑期的时间进行准备,同时提高今年比赛的整体质量和水平,组织开展了暑期公益科创孵化培训。715日,我们有幸请到了来自上海同济大学的专家沈海军教授,为小选手们进行第一场线上直播孵化培训(航空专场),帮助大家备战雏鹰杯!

现将培训当天互动问答环节,小朋友们的在线问题,以及沈教授的相应回答做了整理汇总。希望这些汇总整理的问答,能对将要正式报名参赛的小选手们有所帮助。

 

问题1:明代“万户”陶道成的飞行火器,它的飞行原理具体是怎样的?

回答:万户设计的飞行器的飞行原理类似火箭发射升空(农村放鞭炮的“二踢脚”)。

沈教授引申展开:中国的史料上对于万户并无明确记载,关于万户的记载来源于美国的相关史料。“万户飞天”运用的其实是航天的相关原理。

 

问题2:为什么说飞机要“一路逆风”飞行才会更加安全?

回答:飞机的升力来自于空气的相对运动(所以如果飞机停留在空中就会掉落)。而飞机只有在起飞后与空气之间形成一定的相对速度才会产生升力。“逆风飞行”会使得飞机与空气的相对速度更大,更有利于升力的产生。所以升力越大,安全性也就相对越高。

 

问题3:遥控蝉实验中,是通过什么方式让蝉听话的?

回答:这个实验的原理类似于现在在航模中所使用到的电磁发射与接收装置。在具体实验中使用微小飞行器的那一套装置,持有四轴遥控器,在蝉身上安装微小接收机,操作遥控器时通过加电压的方式使蝉接收到具体的移动信号(向左转或向右转)。

 

问题4:乘坐飞机时,飞机上哪个部位是相对更安全的(换言之,哪里更相对危险)?

回答:这个其实目前还没有绝对统一的标准。第一种说法认为最危险的是机头(头等舱),所谓的“首当其中”,如果飞机发生事故,往往是机头部位先着地或遭受激烈撞击损坏,而这会对旅客的生命构成严重威胁;第二种说法认为机身中间段最危险,因为民用客机的机翼内全是油箱,且邮箱贯穿整个机身,机身中间下方就是“中央油箱”,所以坐在中间段就等于是坐在了油箱的上方,如果油箱发生意外引起爆炸,那后果不堪设想;第三种说法认为机尾部位最危险,因为目前的民用客机,经济舱座位都相对比较狭窄拥挤,一旦发生意外,逃生时的阻碍就相对较大(这个和机头部位公务舱人少座位宽阔舒适就形成了鲜明对比,机头部位反而容易逃生)。

沈教授引申展开:坐飞机什么时候最危险?前几年有一位民航公司的老总曾经讲道:“从家里出发去机场的路上是最危险的。”因为飞机的安全可靠性都是以99.99……%的安全裕度来计算的。所以从总体概率上来看,飞机还是相对很安全的。

 

问题5:为什么流速快反而气压低?

回答:流动的空气一般包括两大块,分别是“静压”和“动压”。而这里提到的“气压”,应该是指“静压”,这个涉及流体力学的概念。例如消防龙头里喷射出去的水柱,被手掌阻挡住后,水柱对手掌所形成的压力就是动压,因为这里包含了动能的作用。所谓的静压就是与流体流速相垂直的压力,流速大压力小。这个在日常生活中也有许多的现象。例如列车驶过的时候,千万不能站在轨道两边(太靠近列车),因为列车行驶过程中产生的气流会把人往中间吸(人的正面压力小,背面压力大,会产生一个无形的压力把人往列车那边“推近”)。这个也是飞机产生升力的原因,因为机翼上下表面的空气流速不一致,上方空气流速快,下方空气流速慢,所以机翼的上下方产生了压力差,飞机就被这股压力差给顶了起来。

 

问题6:飞机在什么情况下比较容易发生事故?

回答:飞机在起降的过程中最容易发生事故,换言之,飞行事故主要发生在对流层。现在的民用客机基本都会在万米高空(平流层的底部)飞行。平流层的气流是水平流动的,所以飞机的飞行就比较稳定。而对流层相对不稳定,刮风、下雨、冰雹等都发生在对流层,除了水平风外,还存在上下风(对流风),飞行环境的不确定因素更大,产生危险的可能性也就更大了。

 

问题7:特技飞行在“倒飞”的过程中如何保证不让自己坠落?

回答:这个问题可以表述为“飞机为什么倒着飞还会有升力呢”?一般的固定翼飞机,只有一个往前的拉力,飞行时需要克服的则是往后的阻力。在飞机上下方向,飞机所涉及到的力主要是向下的重力和向上的升力。例如风筝,仅管外观都是平面,但它却也有升力,所以飞机无论正飞还是倒飞,它的升力主要和它的迎风角有关,只要迎风角合适,就能够产生向上的升力,就会克服向下的重力,而这主要取决于飞机的飞行姿态。

 

问题8:飞行员在飞行时所要承受的“过载”,会对飞行员的身体健康造成损害吗?

回答:民航客机的过载很低,因为民航客机需要飞行稳当且能够适应老弱病残孕等众多群体。而军用飞机不同,军用飞机的过载(尤其是战斗机)最为明显,战斗机在空中格斗中需要做大机动,最大过载可能会达到78倍。这样的过载对人的健康一定是有危害的,因此空军选择飞行员时,身体素质一定要过硬才行(例如每天起来都要先承受一定强度的转轮旋转,以便适应飞行过载)。高强度的训练是备战的需要,因此军用飞机的飞行员和民用飞机的飞行员,是两个不同的技术档次。换言之,战斗机飞行员是玩命的,而民航的飞行员则要舒服得多(飞机可以自动驾驶)。因为战斗机有时会超音速飞行,高空高速状态下还可能会缺氧,所以飞行员会需要佩戴头盔,身穿抗压服以减轻过载对身体的伤害。如果抗压服没穿好,在空中加速度飞行时很容易导致脑缺血或脑充血,这些都是潜在的生命危险。

 

问题9:如果选择航天类课题,是否有哪些可以推荐的选题?

回答:其实,航空工业和航天工业,从技术复杂性上来看,航空的复杂程度是要高于航天的。从课题选择方面来讲,航空这块的选题更为丰富,例如直升机、四轴无人机,等等。航天的选择方向则相对比较单一。前两年我们的科创类比赛,航空航天这块主要是以论文为主,但从这几年的项目评审来看(例如研究生“未来飞行器大赛”),评委们更倾向于是有实物的,或者说是半实物的(能提供样品或是可以呈现的半成品)课题,对于这类作品课题会得到专家评委的优先考虑。因为我们希望大家不要像科幻小说那样,只是以书面的形式来表现,还是希望能有实物来加以支撑论证(如果有较成熟完整的实物作品当然更好了)。所以我的建议是,因为航空航天课题的难度相对比较大,要呈现完整实物比较困难,所以希望小选手们能有一个局部的验证实物或原理验证来配合自己的论文,这样可能会起到意想不到的效果。

 

问题10:是否可以简单介绍一下北斗导航系统在现实中的应用?

回答:中国发展北斗导航系统,其目的就在于取代美国的GPS导航系统。目前GPS能够做到的,北斗导航也基本都能做到。同时,从某种意义上讲,北斗导航要比GPS更加先进。因为GPS所使用的卫星大多是若干年之前就已经发射的,而北斗导航的卫星都是近几年才陆续发射升空的,且这些卫星所应用的都是当下最为先进的技术。另外,中国为北斗导航所发射的卫星数量也是要多于美国的GPS。所以我们有理由相信,有朝一日,中国的北斗导航系统一定会全面取代美国的GPS系统,我们甚至可以做得比他们更好!

 

问题11:为什么说驾驶舰载机要比驾驶其他普通军机更加危险呢?舰载机的操作难度主要体现在哪里?

回答:一般战斗机的起降环境较好,起降跑道可以做得相对长一些,宽一些。而舰载机的起降跑道则只有航空母舰的甲板,这个甲板的空间是相对有限的。所以舰载机飞行员在降落的时候还会要想着把飞机拉起,因为一旦降落失误,飞机很有可能就会冲入大海中。因此在狭窄的空间中飞行,难度更大,危险性也更高。同时,舰载机飞行员,在空军部队里都是“百里挑一”的。舰载机技术要求高,人员素质也要更加过硬。空军飞行员本身就是很优秀的精英,而舰载机飞行员更是“精英中的精英”。

 

问题12:传说中的舜帝用斗笠当降落伞来进行降落,这在实际生活中是否可行?

回答:舜帝使用斗笠当作降落伞来降落,是传说中人类使用器械来进行降落的记录,可以说是“降落伞使用第一人”。但三皇五帝的故事更多是神话。现实中,早期的法国降落伞先驱,有拿雨伞来当降落伞使用,从高塔上跳下,但是却失败了。无论是雨伞还是斗笠,它们都属于“硬伞”,而我们现在所说的降落伞其实是“软伞”(伞面更加柔性)。总体来说,硬伞对气流的适应性不如软伞来得好,在跳的过程中容易失稳,伞一偏人就摔了。目前随着跳伞技术(气动力学技术)的发展,柔性伞的危险性已经越来越低了。

 

问题13:请简单介绍一下超燃涡扇发动机的工作原理。

回答:我们现在所说的发动机一般指的是涡扇发动机。而超燃涡扇发动机技术要比普通的涡扇发动机更复杂,它要求材料能够在高温度、高应力、高转速作用下稳定可靠地工作,实际上这是对构件、材料的性能极限的一种挑战。这个技术瓶颈在未来三、五年甚至十年内都不一定能解决,因为这和长期的经验与液晶加工水平等各种各样的因素都有关联。加上工作条件的非常苛刻,所以想要像民用飞机那样发展成为成熟可靠的涡扇发动机技术,超燃涡扇发动机还有很长的路要走。

 

问题14:关于今年的科创大赛航空航天板块,有哪些可以推荐的课题?

回答:我今天的培训讲座,主要是给大家做启发用的,或者说是介绍大学生团队所做的一些工作,也包含了科普在当中。可做的课题有很多,但想要选择一个能够让大家耳目一新的课题却很难,因为这些年全国各地举办了许多类似的科创大赛,这么多年下来,原先比较新奇的课题,几乎都已经被历年的选手所使用过了,所以更多的还是需要自己去琢磨。

 

问题15:飞机的机翼相对较重,在飞行的过程中,是什么保护着机翼不被气流所折断?

回答:一般来说,飞机的机翼部分重量,占到整个飞机总重量的约1/4。换言之,飞机的有效载荷主要在机身和发动机部分占得比较多。而占总重量1/4的机翼,其主要功能还是提供升力。航空工业经过几十年的飞速发展,机翼折断这样的情况已经很少发生了。目前对于常见的飞机,都有相当成熟的飞机设计手册,飞机设计指南,甚至包括做航模,也是有参考经验的。机翼的折断,主要可能会发生在翼根部位,不过现在这种情况已经很少发生了。主要是大家现在认识都比较透彻,防范也比较到位。

 

问题16:在火星上是否能够建成一个微生态的循环系统,以保证宇航员可以长时间在火星生存?或者说“火星移民”计划,目前来看是否可行?

回答:目前已经出现了想要移居外星球这样的概念,但更多的只是概念。人类想要在外星球生存,挑战非常多。当然,这也是未来的梦想,因为当前地球的生存环境已经越来越糟糕,未来将不再适宜人类生存,所以人类会移居外星球。这个方向可以探讨,但如果人类要在那样的环境中生存,难度非常大,所需要承受的代价也是非常巨大的。

 

问题17:为什么机翼上方的气流速度快?上单翼飞机和下单翼飞机之间,各有什么优劣吗?

回答:机翼上方流速快,下方流速慢,这和机翼的翼形有关。一般的机翼都是上表面比较凸,下表面比较平,这个形状差异导致机翼的上表面,尤其是前翼部分的流速非常大,比下表面的流速要快(流速快的原因会牵扯到伯努利原理、连续性方程等)。总而言之,机翼上下表面的形状不同,导致空气流速存在差异,上表面流速快压力小,下表面流速慢压力大,所以就产生了升力。

关于上单翼和下单翼,在飞机的发展史上得到过许多的应用。两种不同形式的飞机有着各自不同的优缺点。例如上单翼飞机,对于起落架的长度要求较大,机翼上的起落架做得长,但可能会导致在起飞过程中万一出现碰撞就容易折断,这是上单翼起落架的最大缺点。相比之下,下单翼起落架就可以做得比较短,不易折断。但下单翼飞机的稳定性不如上单翼飞机,上单翼飞机可以像一只伞一样,机翼在机身的上方,让升力都在机翼上产生,这会让飞机的重心靠下,飞行就会比较稳当。下单翼飞机,机翼在机身的下方,飞机的重心就会比较高,重心一高,飞机的稳定性就相对较差了。所以,一架飞机要设计为上单翼还是下单翼,需要做综合考量飞行稳定性、飞机起落架强度,等等,进而做出相应的取舍。

 

问题18:我国古代的飞行器“孔明灯”,真的是诸葛孔明发明的吗?

回答:“孔明灯”属于热气球的范畴,是航空历史课程中的必讲内容,但同样也作为必讲内容的是航空史上明确记载的热气球发明者:法国的蒙哥尔费兄弟。目前航空界的主流观点都认为,人类历史上最早的热气球是由法国的蒙哥尔费兄弟俩发明的。当然,我们的祖先在航空领域的发明创造也是很多的,例如直升机的原型竹蜻蜓,数千年前就有了。只不过当前航空界的主流观点里没有把它放在一个很重要的地位。

 

问题19:请简单地谈一谈反物质发动机实现的可能。

回答:“反物质发动机”的概念,和“反重力发动机”有些相似。大家都知道,飞机能够起飞,最重要的就是克服重力的影响,所谓的“反重力发动机”,就是在飞机的外部设置一个“场”(可以是电磁场、引力场,等等),这个“场”所产生的作用力,刚好和重力相反,这就是“反重力”的工作原理。现实中,例如磁悬浮列车,就是在车身周围形成了一个“引力场”,把列车托起来并运行的。


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