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树冠的顶级智慧:启发超音速飞行器降温新技术|Physics World专栏

2018年06月28日 13:54 来源于 财新网
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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。学习是有价值的,但却不容易
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。图/Unsplash

  撰文|Stephen Ornes

  编译|韩宇

  作品来源:《知识分子》(微信公号:The-Intellectual)

  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。

  世界上已知的最高的树,位于旧金山以北几百公里处的红木国家公园,距太平洋海岸不远。但是,你在官方的徒步旅行地图上却找不到它的位置。这是因为,两位业余博物学家,Michael Taylor和Chris Atkins,在2006年发现这课树后,因担心游客乱刻乱划和不法之徒砍伐,便试图将其位置保密(不过,你可以在非官方指南上找到它的大致位置)。他们将这课树命名为亥伯龙神(Hyperion,古希腊神话中的巨人之一)树。勇敢的攀爬者从树冠向地面照射激光,测量树高:据报道,这一植物巨人的高度达到近116米。它比世界上已知的第二高的树——一棵名为赫利俄斯(Helios,古希腊神话中的太阳神)树的红杉,高出1米多。

  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”(transpiration):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。一棵90米高的红杉,一天内可从树根向树叶输送约2000升水,相当于一个低容量马桶400多次的冲水量。当然,想找到蒸腾作用的证据,你不必钻入红杉6米宽的树干——矮小的植物也同样的过程。

  1727年,英国植物学家和牧师Stephen Hales首次发表了蒸腾作用的详细机制。在植物的茎中,坚硬的管状细胞堆积形成天然的管道,一直向上延伸,称为 “木质部”(xylem) ,从根部进入树木的水分便通过这一结构向上输送。木质部以厚厚的细胞壁辅助支撑植物体。木质部一旦成熟就已完全死亡,随即成为水的载体。最后,水分通过叶片背面的气孔蒸发到空气中(图1)。

  

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►蒸腾作用工作原理:蒸腾作用是一种天然的无泵抽水系统,可帮助草木和树木降温。水分子(蓝色)通过根部的渗透作用进入树体,然后通过树干和树枝中的木质部导管向上运输,最后通过叶片的气孔排出。红色箭头表示水克服重力向上运动。圆形插图(右中)显示在木质部中水分子之间的氢键(虚线),氢键将水分子连接起来。 (版权:Science Photo Library/Claus Lunau)

  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。事实上,2008年的一项研究表明,所有的树木都会将温度稳定地调节到20℃左右(Nature 454,511-514)。但是,这一过程只发生在白天。太阳下山后,叶片上的气孔就会闭合,留在植物升降机内的水分子会粘在一起并附着在死亡的木质部上。

  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。因此,几十年来,物理学家和工程师一直试图模拟蒸腾作用,力求找到一种使液体经过固体并将其冷却的方法。事实上,当研究人员试图开发出比音速还快的飞行器时,蒸腾作用就变得格外令人感兴趣。那么,树木可以帮助我们以“高超音速”(hypersonic)的速度旅行吗?

  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。贝尔 X-1由B-29轰炸机带到预定高度后被释放,携带燃料虽然有限,但足以保证飞机有足够的时间突破音障,产生冲击波,燃料耗尽后,它滑翔着降落到地面。从那以后,世界上最快飞机的纪录已经飙升到声速的许多倍。例如,俄罗斯联盟号(Soyuz)宇宙飞船或美国宇航局的航天飞机都能以超过声音20倍的速度穿越地球大气层。

  

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►贝尔 X-1飞机,图片来源:Pixnio

  “人们一直热衷于飞得更快,”密歇根大学安娜堡密分校的博士后Kyle Hanquist说。Hanquist从事“高超音速”(5倍及以上音速)飞行器冷却研究。人类对速度的需求引起了对“气动热”(aerodynamic heat)的强烈关注,气动热来源于飞机机体与空气之间的摩擦,以及飞机正前方被直接压缩的空气。对于飞行速度比音速慢的喷气式客机,气动热的影响微乎其微。但是,在达到约两倍音速时,气动热通量随着速度呈指数增长。在足够高的速度下,由动能转化而来的热能足以将飞机烧毁。

  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。隔热罩随太空舱下降过程中逐渐融化和蒸发,在剥落时给舱体创造一层薄薄的保护层。当材料耗尽时,舱体速度已经放慢,因而不会因高温而分崩离析。

  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。Hanquist表示,基于金属合金,这些材料可以承受1800℃左右的温度。但是,随着飞行器的加速,它们将经受更高的温度,除非有更有效的冷却系统,否则这些材料会熔化甚至蒸发。

  “如果我们想持续加速飞行,就需要一种不同的方法,” Hanquist承认。在密歇根的实验室,汉奎斯特一直致力于通过喷射电子流,来冷却高超音速飞行器。但是,树木蒸腾作用带来的启发可以成为解决方案吗?过去几十年,物理学家根据植物中发现的线索,已经研究出了一些冷却方法。例如,它们已应用于“超音速燃烧冲压发动机(scramjet)”引擎。该引擎将迎面而来的超音速空气压缩,使其升温,然后再燃烧,使燃烧释放更多的能量。这种引擎为许多超音速飞行器提供了动力,尤其在推进已经远超过音速的飞行器时,效率最高。

  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(通常是具有高比热的材料,如水或气体,甚至是燃料本身)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。因此,要真正享受生物工程带来的好处,物理学家需要设计一种能有效冷却,但又无需用泵的被动系统。

  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(IOP Publishing,同时也是《物理世界》的出版商)的期刊《生物灵感与仿生学》(Bioinspiration and Biomimetics)上发表论文,介绍了仿生发汗冷却系统。这是一个不使用泵的自适应冷却系统,也就是说,它可以根据表面热流密度的变化进行自我调节。

  该系统通过一种叫做“多孔冷却”(porous cooling)的方法来模仿树木蒸腾作用,系统中的冷却剂通过多孔层中的微通道流出(见下图)。系统通过两种途径实现冷却,首先,它在流过多孔层时会吸收热量;其次,当冷却剂扩散到外部时,会形成保护外表面的蒸汽膜。这种方式可使得外表面的温度得到有效的控制。

  

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►发汗冷却示意图,图片来源:姜培学 et al,Bioinspiration and Biomimetics 2017, 12, 056002

  新型发汗冷却系统的结构和树木非常类似(图2)。它体积很小,更准确地说,它更像是一棵小型植物。系统的底部有一个小水箱,从中延伸出一根有弹性的塑料管(就像根一样)。水通过管道进入30毫米厚的堆积纤维层。多孔片是由烧结青铜颗粒制成的多孔材料,其中青铜颗粒的直径约为500微米。青铜颗粒之间所形成的孔隙直径约200微米、它们类似树叶气孔,使水得以蒸发。

  

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►来自树木的启发:清华大学姜培学团队提出了一种不使用泵的仿生树木蒸腾作用发汗冷却系统。树木通过木质部将水输送到叶片,水再通过气孔蒸发。类似的,这一系统将水槽中的水输送至覆盖有烧结青铜颗粒多孔片的纤维层,水再通过微小颗粒间的微小气孔状的孔隙蒸发出去,产生的毛细压力使得冷却水源源不断地从水槽中输运到受热表面。蒸发的水形成薄薄的蒸汽膜,即便在1366℃的丁烷火焰喷射下也能保护表面不受高温影响,并且将受热表面的温度控制在100℃以下。

  当水从表面蒸发时,毛细压将使得冷却水从水槽中自动地被输运到8厘米高的受热面。不仅如此,蒸发的水还会产生一层薄薄的蒸气膜,降低表面的受热程度。据介绍,该系统甚至在1366℃的丁烷火焰喷射下仍然有效,其表面温度可维持在100℃附近。当增加火焰热流密度时,受热表面的温度仍稳定维持在100℃左右,也就是说,该系统可智能地适应环境温度的变化,保持受热表面的温度稳定。

  现有的飞行器发汗冷却系统需要依靠泵来控制冷却剂流动,这不仅占用了宝贵的空间,同时还带来了不可靠性。研究人员指出:“这些泵使飞机变重,进而提高发射成本。”自适应发汗冷却系统无需额外的泵和控制设备,是超音速飞行器的理想冷却系统,具有自适应性和内置性。喷气式飞机在不同的高度和速度范围内飞行,这使得它们承受着极端变化的热流密度。

  

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►应用于高超音速飞机的自适应发汗冷却系统,图片来源:姜培学等人, Bioinspiration and Biomimetics 2017, 12, 056002

  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。密歇根大学的Hanquist博士认为,“这种系统的前景非常好。”该仿生发汗冷却装置也可用于尺寸相对比较小的系统。文章还提到将仿生发汗冷却整合到隔热手套中,使钢铁工人、锅炉操作员等处理800℃以上的材料。作者指出,这种手套的蒸腾过程“类似于出汗的动物皮肤” 。

  

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►将自适应发汗冷却系统应用于隔热手套,图片来源:姜培学et al,Bioinspiration and Biomimetics 2017, 12, 056002

  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。学习是有价值的,但却不容易。“很多超音速飞行器专家可能并不了解生物学和树木。” Hanquist说。有些人就是这样:看不见树木,也看不见森林。

  感谢清华大学姜培学教授对本文的审校。

  《知识分子》是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想

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版面编辑:张翔宇
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