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发布者:宁普防雷 发布时间:2014-7-17 阅读:1453次 
超音速飞行产生“音爆云”(组图)

 

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当飞行器的速度达到音速左右(1193公里/小时)时,就会压缩周围的空气,从而使空气中的水汽凝结成云。但它并不总是伴随着音爆现象的产生,同时也未必是音障被突破时所产生的冲击波。

 

音障是历史上(主要是第二次世界大战期间)对飞行器尝试跨越声速飞行遇到困难的称呼。这一说法在1950年代以后随着跨声速飞行的广泛实现已渐不多见。

 

当物体(通常是航空器)的速度接近音速时,将会逐渐追上自己发出的声波。此时,由于机身对空气的压缩无法迅速传播,将逐渐在飞机的迎风面及其附近区域积累,最终形成空气中压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面--激波(或称震波,Shock Wave)面。激波的形成是超音速飞行的典型特征。激波面将增加空气对飞行器的阻力,这种因为音速造成提升速度的障碍被俗称为音障。另外,在早期飞机的设计中,由于对跨音速空气动力学了解尚少,所以曾多次发生飞机试图超越音速时解体或者失控坠毁的严重事故,有人把这一时期困扰飞机制造业的难题也称为“音障”。事实上,音障一词的名声大噪更多地来自于媒体的炒作及大众的误解,而非更加深刻的物理实质。

 

飞行器进入超音速飞行形成的激波面,是声学能量的高度集中面,所以又称音锥。音锥在听觉上是一声短暂而极其强烈(可能超越人耳的听觉)的爆炸声,故称为音爆或声爆(Sonic Boom)。强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害,也会给飞行器本身跨越冲击面的部分造成巨大的压力,所以各国一般都禁止超音速飞机在住宅区上空突破音速。

 

除此之外,跨音速飞行常常伴随的一个效应称为普朗特-格劳厄脱凝结云(Prandtl-Glauert condensation clouds),表现为以飞机为中心轴、从机翼前段开始向四周均匀扩散的圆锥状云团。这是由于气流流速突破音速时比空气传导速度更快,无法有效向下拉气流,导致密度减小,气压降低,水气凝结。另外,由于气流超过声速后迅速膨胀,推动周围其他空气做功,消耗了分子热运动能量,温度也会降低。变成微小的水珠后,肉眼看来就像是云雾般的状态。这个低压带会随着离机身的距离增加而迅速消失。值得一提的是,普朗特-格劳厄脱凝结云并非只能在跨音速飞行中看到,与激波也没有必然的联系,它仅仅表征了空气具有一定的可压缩性。在合适的条件下,尚未接近音速的飞机也能在自己周围产生普朗特-格劳厄脱凝结云。

 

还要特别指出的是,许多人会把音爆云和涡流搞混。音爆云是飞行器超越声速时才会出现的一种奇特现象,通常呈三角锥状,几乎垂直于机身,或者稍稍向后倾斜。而涡流是当飞机突然大迎角飞行或急速进行机动时气流从机翼上表面分离出来,形成低压脱体涡。涡流内部水汽也能凝结,使机翼上部覆盖一层水雾,看上去和音爆云很像,但两者有本质的不同。

 

那么,“音爆”究竟是怎么回事,为什么只有在超音速飞行时才会出现呢?

 

要想了解这一点,我们可以从一种常见的自然现象谈起:在平静的水面上,如果投一块石头,水面上立刻会出现一圈一圈的水波向四周传播,波及整个水面,也就是我们常常说的“一石激起千层浪”。但如果是在水面上运动的物体在水中激起的水波就不是这样了,例如一艘快艇在水中高速前进时,我们看到它激起的水波就不是一圈一圈地向外传,而是从艇前开始,呈一楔形向外传播。同时我们可以看到前缘密集,波浪很大,而后面波浪就很小。这种波我们称为楔形水波。此波随同快船一道前进,波及的范围始终在楔形之内。


 

同样地,对于空气来说,也有这种现象,如果给空气一个扰动,声音也会象水一样通过波的形式向外传播,这就是声波。我们平时听见的声音就是声波传入耳内刺激鼓膜产生的。当飞机在空中作超音速飞行时,在机头或突出部分,也会象水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形波,这就是激波。当它们向外传播时便互相干扰和影响,然后汇集成一道包罗机头的前激波和一道尾随机尾的后激波。这种波虽然可以用上述的楔形水波来比拟,但有着迥然不同的性质。激波的厚度很小,经过波后空气的压强、密度、温度都突然升高,速度立即下降。当这两道激波波及到无论哪个空间和物体时,均会感到这种强烈的变化,反映到人的耳朵里,使耳鼓膜受到突然的空气压强变化,就感觉是两声雷鸣般的巨响。这种响声就称之为“音爆”。

 

“音爆”只有在飞机作超音速飞行时才会出现。当飞机在一定高度下以超音速飞行时,由于激波引起的强烈的压力变化。使我们听到了“音爆”。那么,随同飞机一道前进的飞行员是不是也会有同样的感觉呢?其实飞行员是不会听到这种响声的,因为飞行员坐在座舱里,激波引起的压强、密度、温度的变化,飞行员是无法感觉到的。即使座舱不密封。由于飞行员始终处于前激波的后面、后激波的前面,也就是说,他是处在一个暂时的稳定的等压强的条件下,也是听不到的。


 

音爆”的强弱以及即对地面影响的大小,与飞机飞行高度有着直接的关系。因为,激波和水波一样,距离越远,波的强度也越弱。当飞机作低空超音速飞行时,不但地面的人畜能听到震耳欲聋的巨响,影响人们的生活和工作,严重的还可以震碎玻璃,甚至损坏不坚固的建筑物,造成直接的损失。随着飞行高度的增加,这种影响越来越弱,当超过一定的高度后,地面基本不会受到影响。




 

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