（十一）气动加热来自压缩而非摩擦

物体在空气中高速运动时，会对空气做功而使空气温度上升。升温后的空气反过来对物体加热，使物体温度增加的现象，称为气动加热。有一种流传广泛的误解，说气动加热是摩擦生热。实际上，气动加热主要来自于物体对空气的压缩，摩擦是次要的。

1. 因功生热或减速升温

根据相对性原理，物体穿过静止的空气和空气流过静止的物体是等价的，只是所选参照系不同，但从做功原理上的解释这两者却是不同的。

以空气为参照系，当物体穿过空气时，物体正面压缩空气使之升温，侧面通过粘性力（即摩擦力）带动空气使之升温。由于正压力比粘性力要大得多，所以压缩产生的升温远大于摩擦产生的升温。

如果以物体为参照系，流过物体的空气在物体前部减速并被压缩，动能转化为内能而升温，在侧面由粘性力引起剪切变形，动能转化为内能而升温。

压缩和摩擦都会使空气升温，压缩是正压力做功，摩擦是粘性力做功。用打气筒打气的时候，过一会打气筒就会发热，这种发热一部分是活塞与打气筒内壁摩擦产生的，但一般来说这种摩擦较小，更多的发热是压缩空气产生的。

2. 气动加热的定量计算

以任何速度在空气中运动的物体都存在气动加热现象，温升可以用如下的公式计算：

根据上式可以算出，当汽车以120 km/h运动时，正前方的空气最大的温升是0.55℃，这点温升是微不足道的。

如果是战斗机的典型速度，比如说是1200 km/h，则这个温升是55℃，就不能忽略了。

画成曲线是下图这样：

下面的图是15℃的空气以三倍音速绕圆球的流动。全流场压缩最强的位置应该是在球的正前方，这里的气体温度达到 了500 多度，摩擦最强的位置应该在球的侧面，这里的温度只有 200 多度。显然，压缩是气动加热的主要因素。

一般认为飞行器在2.5倍音速以上会出现“热障”问题。主要是因为这时的温度已经开始影响到铝合金蒙皮的强度了。

下图是“协和号”飞机和“黑鸟”飞机飞行时的表面温度，都是在机头和机翼前缘位置温度最高。

3. 总结

1、用做功的方式让气体升温，必然伴随着变形，变形有两种：压缩变形对应正压力做功，称为压缩生热；剪切变形对应粘性力做功，称为摩擦生热。

2、物体在空气中飞行时，正面压缩空气，侧面摩擦空气（粘性力拖动空气）。低速运动时，这两种作用产生的温升都很小，高速运动时，压缩是温升的主要因素，摩擦是次要的。

后记

经常有人问为什么战斗机的头部是尖的，而速度更高的航天飞机和返回舱的头部却是圆的。这个其实和很多因素相关。从阻力角度来说，肯定是越尖越好，但是圆头的散热效果要好一点，容积率也高，气动稳定性也好……

原作：王洪伟