• 飛行奇觀“音爆云”:戰機身披白紗裙

    來源:中國軍網綜合 作者: 發布時間:2014-07-17 09:38:41 編輯:空軍
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    當飛行器的速度達到音速左右(1193公里/小時)時,就會壓縮周圍的空氣,從而使空氣中的水汽凝結成云。但它并不總是伴隨著音爆現象的產生,同時也未必是音障被突破時所產生的沖擊波。

    音障是歷史上(主要是第二次世界大戰期間)對飛行器嘗試跨越聲速飛行遇到困難的稱呼。這一說法在1950年代以后隨著跨聲速飛行的廣泛實現已漸不多見。  

    當物體(通常是航空器)的速度接近音速時,將會逐漸追上自己發出的聲波。此時,由于機身對空氣的壓縮無法迅速傳播,將逐漸在飛機的迎風面及其附近區域積累,最終形成空氣中壓強、溫度、速度、密度等物理性質的一個突變面--激波(或稱震波,Shock Wave)面。激波的形成是超音速飛行的典型特征。激波面將增加空氣對飛行器的阻力,這種因為音速造成提升速度的障礙被俗稱為音障。另外,在早期飛機的設 計中,由于對跨音速空氣動力學了解尚少,所以曾多次發生飛機試圖超越音速時解體或者失控墜毀的嚴重事故,有人把這一時期困擾飛機制造業的難題也稱為“音障”。事實上,音障一詞的名聲大噪更多地來自于媒體的炒作及大眾的誤解,而非更加深刻的物理實質。  

    飛行器進入超音速飛行形成的激波面,是聲學能量的高度集中面,所以又稱音錐 。音錐在聽覺上是一聲短暫而極其強烈(可能超越人耳的聽覺)的爆炸聲,故稱為音爆或聲爆(Sonic Boom)。強烈的音爆不僅會對地面建筑物產生損害,也會給飛行器本身跨越沖擊面的部分造成巨大的壓力,所以各國一般都禁止超音速飛機在住宅區上空突破音速。

    除此之外,跨音速飛行常常伴隨的一個效應稱為普朗特-格勞厄脫凝結云(Prandtl-Glauert condensation clouds),表現為以飛機為中心軸、從機翼前段開始向四周均勻擴散的圓錐狀云團。這是由于氣流流速突破音速時比空氣傳導速度更快,無法有效向下拉氣流,導致密度減小,氣壓降低,水氣凝結。另外,由于氣流超過聲速后迅速膨脹,推動周圍其他空氣做功,消耗了分子熱運動能量,溫度也會降低。變成微小的水珠后,肉眼看來就像是云霧般的狀態。這個低壓帶會隨著離機身的距離增加而迅速消失。值得一提的是,普朗特-格勞厄脫凝結云并非只能在跨音速飛行中看到,與激波也沒有必然的聯系,它僅僅表征了空氣具有一定的可壓縮性。在合適的條件下,尚未接近音速的飛機也能在自己周圍產生普朗特-格勞厄脫凝結云。  

    還要特別指出的是,許多人會把音爆云和渦流搞混。音爆云是飛行器超越聲速時才會出現的一種奇特現象,通常呈三角錐狀,幾乎垂直于機身,或者稍稍向后傾斜。而渦流是當飛機突然大迎角飛行或急速進行機動時氣流從機翼上表面分離出來,形成低壓脫體渦。渦流內部水汽也能凝結,使機翼上部覆蓋一層水霧,看上去和音爆云很像,但兩者有本質的不同。

    那么,“音爆”究竟是怎么回事,為什么只有在超音速飛行時才會出現呢?要想了解這一點,我們可以從一種常見的自然現象談起:在平靜的水面上,如果投一塊石頭,水面上立刻會出現一圈一圈的水波向四周傳播,波及整個水面,也就是我們常常說的“一石激起千層浪”。但如果是在水面上運動的物體在水中激起的水波就不是這樣了,例如一艘快艇在水中高速前進時,我們看到它激起的水波就不是一圈一圈地向外傳,而是從艇前開始,呈一楔形向外傳播。 同時我們可以看到前緣密集,波浪很大,而后面波浪就很小。這種波我們稱為楔形水波。此波隨同快船一道前進,波及的范圍始終在楔形之內。  

    同樣地,對于空氣來說,也有這種現象,如果給空氣一個擾動,聲音也會象水一樣通過波的形式向外傳播,這就是聲波。我們平時聽見的聲音就是聲波傳入耳內刺激鼓膜產生的。當飛機在空中作超音速飛行時,在機頭或突出部分,也會象水中前進的快艇一樣出現一種楔形或錐形波,這就是激波。當它們向外傳播時便互相干擾和影響,然后匯集成一道包羅機頭的前激波和一道尾隨機尾的后激波。這種波雖然可以用上述的楔形水波來比擬,但有著迥然不同的性質。激波的厚度很小,經過波后空氣的壓強、密度、溫度都突然升高,速度立即下降。當這兩道激波波及到無論哪個空間和物體時,均會感到這種強烈的變化,反映到人的耳朵里,使耳鼓膜受到突然的空氣壓強變化,就感覺是兩聲雷鳴般的巨響。這種響聲就稱之為“音爆”。

    “音爆”只有在飛機作超音速飛行時才會出現。當飛機在一定高度下以超音速飛行時,由于激波引起的強烈的壓力變化。使我們聽到了“音爆”。那么,隨同飛機一道前進的飛行員是不是也會有同樣的感覺呢?其實飛行員是不會聽到這種響聲的,因為飛行員坐在座艙里,激波引起的壓強、密度、溫度的變化,飛行員是無法感覺到的。即使座艙不密封。由于飛行員始終處于前激波的后面、后激波的前面,也就是說,他是處在一個暫時的穩定的等壓強的條件下,也是聽不到的。  

    “音爆”的強弱以及即對地面影響的大小,與飛機飛行高度有著直接的關系。因為,激波和水波一樣,距離越遠,波的強度也越弱。當飛機作低空超音速飛行時,不但地面的人畜能聽到震耳欲聾的巨響,影響人們的生活和工作,嚴重的還可以震碎玻璃,甚至損壞不堅固的建筑物,造成直接的損失。隨著飛行高度的增加, 這種影響越來越弱,當超過一定的高度后,地面基本不會受到影響。

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