加州理工學院 古根海姆航空實驗室 一間小會議室,會議室不大,長方形,牆壁是簡單的灰泥粉刷,掛著幾塊寫滿複雜公式的黑板,以及一些飛機模型和氣流示意圖。
一張長長的橡木會議桌几乎佔滿了大部分空間,周圍擺放著十幾把樣式不一的椅子。
陽光從南面高大的窗戶斜射進來,在深色的木質地板上投下方形的、明亮的光斑,光柱中,無數微塵靜靜飛舞。
房間裡已經坐了八九個人,大多是男性,年齡從二十多到四十多歲不等,穿著從襯衫毛衣到略顯隨意的夾克衫,共同點是臉上都帶著研究者特有的專注和一絲不拘小節的氣質。
空氣裡瀰漫著咖啡、菸草、粉筆灰,以及一種無形的、屬於前沿探索領域的緊張與興奮混合的氣息。
郭永華坐在靠近門口、不那麼起眼的位置,這是錢瀚辰事先為他選好的。
他今天穿了一件乾淨的淺色襯衫,外套搭在椅背上,坐姿端正但不僵硬,面前攤開一個嶄新的筆記本,手裡握著一支鉛筆。
他儘量讓自己看起來像一個認真、謙遜的訪問學生。
錢瀚辰坐在他對面稍靠前的位置,身體微微前傾,神情是全神貫注的緊繃,偶爾會回頭給郭永華一個鼓勵的眼神,或者用口型無聲地介紹正在發言的人是誰。
會議的主持者和毫無疑問的靈魂人物,西奧多·馮·卡門教授,坐在長桌的一端。
他穿著一身剪裁合體的深色西裝,打著領帶,姿態隨意地靠在椅背上,手裡把玩著一支未點燃的雪茄,時而傾聽,時而用帶著濃重匈牙利口音、語速很快的英語插話、提問,或者發出短促的、帶著思考意味的“嗯哼”聲。
研討會的主題,正如錢瀚辰所說,是關於“高速飛行器動力前景”,但討論很快就聚焦到了一個具體的技術難點上——跨聲速和低聲速飛行時,機翼表面激波與邊界層相互作用的複雜物理過程及其對氣動特性的災難性影響。
一位名叫弗蘭克·馬利納的年輕研究員正在黑板上講解一組風洞實驗資料。
資料顯示,當模型機翼在風洞中的流速接近聲速(馬赫數0.8-0.9)時,翼型上表面的區域性流速會超過聲速,產生激波。
這道激波不僅帶來巨大的波阻(“音障”的直觀體現),更重要的是,它會與機翼表面已經存在的、低速高粘性的邊界層發生強烈的相互作用。
“看這裡,”
馬利納用粉筆重重地點著資料曲線上一處陡峭的下跌,
“激波後的壓力驟增,導致邊界層內流體動能不足,無法克服逆壓梯度,發生嚴重的分離。分離區急劇擴大,不僅完全破壞了翼型的設計升力,導致升力驟降、阻力激增,更可怕的是,它會引起強烈的、非定常的載荷波動,導致機翼抖振,甚至可能誘發災難性的顫振。這就是為什麼,我們現有的飛機,一旦速度接近聲速,就會變得難以控制,彷彿撞上了一堵看不見的、致命的牆。”
他展示了幾張高速攝影拍下的激波和分離流紋影照片,那扭曲、混亂的流動圖案,直觀地顯示了問題的複雜性。
會議室裡一片寂靜,只有馮·卡門教授手指輕輕敲擊桌面的聲音。
“問題很清楚,”
馮·卡門教授終於開口,聲音平穩,但每個字都帶著分量,
“激波誘導的邊界層分離,是通往超音速飛行的‘攔路虎’。不解決它,我們討論火箭、討論噴氣推進,都像是為一座沒有地基的城堡設計華麗的穹頂。弗蘭克的資料很好,說明了現象的嚴重性。但我們需要的不只是現象描述,我們需要理解機理,需要預測,需要找到控制或至少緩解它的方法。”
他看向在座的其他人:“理論方面?有什麼進展嗎?用我們現有的方程,能描述這種包含激波、邊界層、分離、甚至可能是湍流轉換的極端複雜的流動嗎?”
一位年紀稍長、戴著厚厚眼鏡的理論研究者清了清嗓子,有些艱難地開口:“教授,從納維-斯托克斯方程出發,理論上可以描述。但方程的非線性、以及激波間斷帶來的數值奇異性,使得解析求解幾乎不可能。即使是進行最大限度的簡化,比如採用邊界層方程耦合激波關係,在分離點附近,方程也會失效,因為那裡的壓力梯度不再滿足邊界層近似的前提。這……這是一個尚未被很好解決的數學難題。”
“簡化?”
馮·卡門教授挑了挑眉,語氣裡聽不出是贊同還是質疑,
“在工程上,我們總是需要簡化。但簡化的藝術,在於保留最重要的物理,拋棄次要的細節。對於這個問題,什麼是‘最重要的物理’?”
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