超音速飞机

超音速飞机 “音爆云”，这种云只能在特定的天气条件下才会出现，而且这些由水汽组成的晕轮只能持续几秒钟。当飞行器的速度达到音速上下(1193公里/小时)时，就会冷却周围的空气，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，同时也不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。这是由于激波面后方以气压降低导致温度的降低，引起水气凝结导致的。 水气凝结变成微小的水珠后，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。 音爆产生的原因 当我们路过超音速飞机的机场附近时，有可能会听到“嘣嘣”两声巨响，犹如晴天霹雳，震耳欲聋。如果是你初次听到的话还会大吃一惊～以为 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，激波和水被一样，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 历史 一位美国海军摄影师敏捷地捕捉到了战斗机在突破音障时，产生“音爆云”的图片。上等兵乔纳森-钱德勒(Jonathan Chandler)在7月27日拍摄了这张照片，当时一架F/A-18F“大黄蜂”式战斗机正飞过菲律宾海上美国“小鹰”号航空母舰的上空。 ##################### 当飞行器速度接近音速时，会有一股强大的阻力，使飞行器产生强烈的振荡，速度衰减。这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。突破音障时，由于机身对空气的压缩无法迅速传播，逐渐在飞机的迎风面积累而终形成激波面，在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时，会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声，称为音爆(Sonic Boom)。