03.05 突破“音障”时为什么能“看”得见?

Yaodong1


所谓的“音障”就是说大气层内地飞行器在加速到一定程度的时候出现的一种空气动力学现象。其中的原理非常复杂,但是通过下面的这幅图就可以粗略地了解一下其中的原理:

简单来说,任何在空气中飞行的物体都会干扰空气,然后这种干扰就会顺着空气向四周发散开去,而发散的速度就是音速。当飞行器速度较低的时候,这种干扰的影响还不是非常大,但是一旦飞机的速度接近音速,那么这个干扰就不得了了,因为每时每刻飞行器与空气产生的干扰都会在飞行器的头部累积,而这种累积的效果就是让空气的性质发生极大的变化。

而这条会引起空气性质发生极大变化的、好像分界线一样的东西,就是所谓的“激波”。下面这幅图里面就是飞行器在超声速飞行状态下产生的“激波”。空气的性质在激波前后会发生巨大的变化【包括空气的密度、温度、压力、速度等等】。

但是,激波本身还是空气,如果只是空气的话,这种变化人眼是没有办法直接看出来的。上图中之所以我们可以看到激波的形状,主要还是图片经过特殊的处理,是通过激波位置空气密度的变化来观察到的。

那我们为什么又能够看到像下图这样,那么明显的分界线呢?简单来说,虽然激波位置的空气我们看不到,但是由于空气性质发生变化,其中的水蒸气凝结之后形成的小水珠我们是可以看到的。所以,我们看到的严格来说,不是激波,而是所谓的“蒸汽锥”。

而且飞机表面空气的运动,实际上飞行器的形状有很密切的关系的,所以当飞行器跨越音障的时候,形成的蒸汽锥实际上是比较复杂的,比如说下图,实际上除了蒸汽锥之外,飞行器后方的空气已经形成了形状非常复杂的激波。

当然了,正是因为跨越音障的时候,飞机周围的空气会发生如此猛烈的变化,所以跨音速这件事情对于飞机来说非常危险。


航小北的日常科普


其实题图的东西和音障关系并不大,学名叫做蒸汽锥。

一般在飞行到一定速度的物体周围出现。

虽然一般的认为是因为高速飞行的飞机在接近音速的时候由于压迫空气所产生的冷凝效应,导致空气中的水凝结成很多小液滴造成云的现象。但是其机理目前并不明确。

这里就要引申出两个概念:

普朗特-格劳尔奇点(Prandtl–Glauert singularity),在被高速冲击而流动的空气可以认为是绝热的。由于空气在被冲击的过程中密度显著降低因此这部分空气的温度也会急剧下降,当降低到露点的时候水汽开始凝结形成可见的云。

但经过计算空气的线形压力变化的确在马赫1的位置是一个无穷大,因此这个点就称之为普朗特-格劳尔奇点。在这个点上空气温度的变化是不符合热力学定律的。但无论如何普朗特-格劳尔奇点解释了为何在音速附近会形成冷凝云。

第二个概念叫做普朗特-迈耶膨胀扇(Prandtl–Meyer expansion fan),哈哈现在看看普朗特老爷子在空气动力学和流体力学上的成就不由得不佩服吧,两个问题都可以找他来解释。

膨胀扇的概念是在超音速流体接触到任何凸起的物体的时候会形成无数个尖角,这些角会相互叠加加强。但一个角是无法跨越另一个角度线的。

因此最终这些空气流体的角度会形成一个马赫角。(这个膨胀扇的公式在飞行器修形的时候有很重要作用,但过于复杂W君就不写出来了)。对于题主的问题这个公式就提供了大家所看到的蒸汽锥的形状。


按照纯学术的观点,题主的问题应该就解答完了。


加点有意思的吧,只要是高速流动的空气就可能产生蒸汽锥。不仅仅是飞机,即便是音速的气流在一定条件下也可以产生蒸汽锥。

核爆炸的压力和能量释放巨大,在一瞬间可以将一些空气加速到音速,因此我们看到的冲击波实际上也是一种蒸汽锥。


在另一方面,根据普朗特-格劳尔奇点的公式计算,不一定是跨越音速的飞行器才可以产生蒸汽锥,只要压缩和释放的空气压力差达到露点就可以产生蒸汽锥,因此很多在潮湿空气中飞行的飞行器不需要超音速就可以产生蒸汽锥,例如这架B-52:

我们都知道的是B-52就是一款亚音速轰炸机,在合适的条件下大家也是可以看到蒸汽锥的。

更极端的情况下,又如这架F-15:

在这个角度上F-15是无法超越音速飞行的,但由于角度问题,同样大量的压缩和释放空气使之达到露点也有大量的水汽产生。

我们有的时候看到的客机拉烟:

实际上也不是因为客机超越了音速,而是客机发动机里面的风扇扇叶尖端压缩空气导致在尖端连续形成蒸汽锥而造成的水蒸气凝结现象。


军武数据库


曾经有相当长一段时间,音障被誉为飞机不可逾越的障碍。

其原因不仅仅是当时的飞机动力不足,而且研究发现飞机速度只要达到音速百分之九十以上,在巨大的高速运动下,会使周围气流老早早就达到音速,使飞机机剧烈抖动,操纵十分困难。同时,机翼会下沉、机头往下栽。如果这时飞机正在爬升,机身会突然自动上仰。这些讨厌的症状,都可能导致飞机坠毁。事实上早期飞机突破音障坠毁解体的案例也不在少数。



所以超音速飞机不仅要发动机动力强劲,而且机身方面的设计及材料都是一大难题。当然这些都被聪明的人类解决啦。超音速飞机也不新鲜了。好了扯远了。来聊聊飞机突破音障时为何都会有一片雾气出现?


其实这些雾气是液化的水蒸气。高速飞行的飞机我们知道是在天空大气下飞行的,大气是具有阻力的。由于飞机的高速前进,前方急速冲来的空气没有足够扩散时间,不能够像平常一样通过机身扩散开,于是气体都堆积到了飞行体的周围,产生极大的压力,也会引发出一种看不见的空气旋涡,俗称“死亡漩涡”,这就是音障。

在这个高压下,空气中水汽沸点升高,就会出现液化现象。这也可以解释为什么飞机后半部分没有雾的现象。因为飞机后部压力低,甚至出现负压,即使前方的水颗粒进入该区域,也会汽化而看不出来。



这是一个非常常见的现象,空气湿度越大,越明显。


壹点科谱


我们看见的不是空气,空气是透明无色的。更不是声音,声音是通过介质传递的波。

我们看到的是水蒸汽(不是水蒸气),也就是液态小水滴。

当飞行器的速度接近音速的时候,也就是接近1200公里每小时的速度,会将周围的空气压缩。一压缩,空气中的水就从气态变成了液态。所以我们就看到飞行器周围有一团白雾了。

也是因为这个原因,突破音障的时候不一定有音爆云。有音爆云也不一定是飞行器在突破音障。

例如,在干燥的空气中,飞行器突破音障很可能就没有音爆云。所以我们经常看到的音爆云,有很大一部分图片都是F-18这款舰载机。因为海上比较湿嘛。

同样,没进入超音速的飞行器也可能有这种现象,反正只要压缩空气,水凝结成小水珠就会有这样的现象。


蛋科夫斯基


没见过公园里老大爷摔得鞭子吗?像放炮像的声音。


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