趣味科学知识超音速汽车

Posted 2022-01-01

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    超音速汽车
    在美国加利福尼亚州爱德华空军基地干涸的湖床上，停放着一辆奇特的红色三轮汽车，驾驶员巴雷特，一位身材修长、性情温顺的好莱坞电影特技演员坐在半米宽的驾驶舱里，一按电钮，高热气流从车尾急速喷出，在一片烟尘笼罩之中，汽车跃然向前，这时巴雷特又点燃了第二支火箭，一枚响尾蛇导弹，汽车加速飞奔冲上天边。
    在两级火箭的强大反冲力的推动下，火箭车的最高瞬时速度达到了 1190． 34千米／小时，突破了过去一直认为轮子汽车不可超越的界限??声速，创造了世界上又一奇迹。
    这一创举发生在1979年12月17日上午7时。当时，寒冷的荒漠上气温是零下6．7℃，声速随温度而变，在当时的温度下，声速不到1180千米／小时。
    这辆火箭车是由比尔?福雷德里克设计并制造的。福雷德里克是建造火箭的行家，他从1960年便开始研究火箭和燃烧问题，后来转到世界上最大的火箭使用者??电影工业，并制做更大、更好的火箭，用于把车辆抛向半空的电影特技。他制做的火箭，多数都采用过氧化氢做燃料，因为它排出的是不可见气体，这样就不会泄漏天机。
    突破声速，是福雷德里克多年来所致力的目标。在这方面他面临着三方面的难题：空气动力学方面的实际问题、推进装置和表面摩擦。
    车的外形对于控制是至关重要的，所以，车身要力求窄、小和轻。他把汽车设计成一个尖头圆筒形，全长 11． 95米，底部收缩成换形，用以散射冲击波，座舱接近尾端，座舱上面装有2．74米高的直尾翼，外表面经过精加工。车身的大部分实际上是高压燃烧舱。
    根据最近的空气动力学研究，车头采用冯?卡曼卵形曲线，具有最小的阻力，在驾驶舱天棚面上采用双切卵形线，以得到最好的流线，车的总前面积小于1平方米。在724千米利。时的速度下，阻力几乎可以忽略不计，只有当车速超过965千米／小时，空气阻力和轮胎对地的滚动磨擦才开始增加。
    福雷德里克采用火箭做动力来达到他的目标。他设计了一种独特的火箭，用过氧化氢做燃料。他发明了一种催化筛，在一个银白的金属网上，涂上一层以稀土元素为基的物质，它能使过氧化氢分解为气体。在低速行驶时，就用这种火箭做单级推进器，可产生约4000千克的推力。
    作为高速燃料，他选择了固态聚丁二烯环。分解的过氧化氢过热气体可进而使聚丁烯分解，一旦自动引燃，将产生成倍的推力。
    点火以后，用一套高级的遥测系统，通过计算机实行监控，如果在行进中出现任何故障，驾驶员或计算机系统将通过停供过氧化氢使发动机关闭。
    福雷德里克和他的伙伴自己制做车身和火箭发动机。但是通过进一步的分析，知道它仍然缺少足够的动力来突破声速。在这种情况下，他采用了一个简单的办法，即从海军买了一些多余的响尾蛇导弹，这种导弹体积很小，可以放在汽车发动机内，重量也相当轻（约 50千克），对汽车的性能影响不大，然而可增加 2700多千克的推力，从而推力问题就解决了。
    剩下的是轮子的制造问题。轮子是用铝合金制造的。他作了计算，如果汽车以声速行驶，直径0．8米大的前轮将以每分钟9200转的速度转动，这时在轮子的基部会产生最少2041千克的离心力。为了提高强度，铝合金的轮子是通过反复镦锻的工艺加工出来的，把坏料镦锻成一个薄的圆环，这样使轮子的金属内部得到放射状的晶粒，其强度足以经受2948千克的离心力。轮胎的表面刻有大量沟槽，组成棱形的花纹，在高速行驶时，车身重量将使轮胎约有12．7毫米压入地面，保证有良好的牵引力。
    到1979年，一切准备就绪。火箭车的外形与普通汽车大不相同，它有长长的“鼻子”和高高的尾翼，尾翼用以平衡，“鼻子”实际上是巨大的分隔的高压燃料舱，前舱1．2米长，压力高达140个大气压，装固体燃料，尾舱2．4米长，42个大气压，盛过氧化氢。全车空载时重1447千克，满载时，包括燃料、驾驶员、响尾蛇导弹和制动降落伞等，总重2413千克。
    试验最初在犹他州波勒威尔盐滩上进行。9月9日，巴雷特以1027．76千米／小时创造了陆地上速度的最新纪录，当时汽车还未装响尾蛇助推器。波勒威尔的地面稍有不平，对于汽车和驾驶员都影响很大，巴雷特的颈和背部都受到由震动引起的张力。于是试验小组移到爱德华空军基地。
    12月的一次试验几乎成为悲剧。发动机的喷嘴上产生了裂缝，点火后，2982℃的高温气流经过喷嘴，产生了不对称的推力，结果汽车像鱼尾似地摇动向前，当时车速高达644千米／小时，幸好巴雷特机智地保持了车的平衡，终于化险为夷。
    超越声速的第一次尝试没有实现，因为一个阀门裂了，部分燃料漏出，为更换阀门耽搁了一天。
    令人难忘的日子终于来到了。通过计算机分析，汽车的燃料和响尾蛇导弹将在开车后17秒钟，即行至3271．7米时耗尽，那时将正好是最大车速的瞬间。大家把火箭车拖到离计速器正好这个距离的地方，然后巴雷特开始发动，中途他点燃了响尾蛇导弹，但是计算出了错，当车行至3017．4米时燃料已经耗尽，所以当车呼啸着通过计速器时已经减速，然而空军的雷达计录下车的最高速度达到1190．34千米／小时，毫无疑问，超过了声速。
    由于设计周密，质量小，对地的冲击气流分散，所以火箭没有震耳的轰鸣，观察者只在接近最高速度时听到了隆隆声。
    超音速汽车成功了，福雷德里克欣喜若狂。观察者也为他所获得的成功而感到由衷的高兴。由他设计并制造的火箭车，在第18次试验中，终于成为世界上第一辆超音速汽车而载入了史册！

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