超音速飞行——音爆

“是不是地震了？”2011年某天下午，重庆市先后出现3声不明原因的巨响，引起不少市民猜测。多名市民询问是否发生了地震。记者随后从市地震局获悉，巨响并非地震，具体原因不明。另外，记者从公安、消防等部门获悉，当天重庆市并未发生重大突发爆破事件。巨响到底从何而来，不少网友认为这是“音爆”。当天下午1点45分左右，有网友发帖称听到一声巨响，疑似爆破声，并感觉地面在抖动，玻璃震动强烈。随后引发众多网友跟帖，表示同样听见了巨响。下午2点左右，第二声巨响传来，引起更多市民关注。下午2点半左右又传来第三声巨响，音爆现象属于：物理→力学→流体力学→空气动力学→可压缩空气动力学一、概念“音爆”：是指飞机在超音速飞行时，飞机机头和机尾上激波传到地面，使那里的空气压力急剧增加，人们会听到雷鸣般的巨响，如果飞机的飞行高度比较低，激波在地面上压力增长的可能太快太猛，以致把房屋震倒成使人受伤即使在比较轻微的情况下，也会使房屋的玻璃震碎，造成一定的损失．“音爆”能量巨大，一架低空超音速飞行的飞机产生的“音爆”足以震碎门窗玻璃。一架在16000米高空以两倍音速飞行的客机产生的“音爆”对地面产生的压强高达100帕，相当于给一块一平方米左右的窗玻璃施加10公斤的力。飞机以超音速飞行时，沿途的空气来不及让开，物体与空气骤然相遇，空气突然遭受强烈压缩，形成一个强烈的扰动，由此而形成的强扰动波在空中传播情况和弱扰动传播情况一样，只不过此时扰动锥是由无数较强的波迭聚而成，则扰动锥前后即受扰动空气与尚未受到扰动的空气之间有一个压力、密度、温度等参数都相差很大的分界面，这个分界面叫激波。激波是受到强烈压缩的一层很薄很薄的空气层，其厚度仅有千分之一到万分之一毫米。一般认为，空气在低速下是不可压缩的。因此，音爆是由于超音速下空气的可压缩性造成的举个例子，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！以为是飞机在空中出了什么问题。其实不然，这就是超音速飞行中的所谓“音爆”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。（二）、激波的分类1、激波按照波面分，可分为正激波和斜激波两类1）波面与气流方向垂直的激波叫正激波。气流经过正激波，压力、密度和温度都突然升高，流速由超音速降为亚音速，但气流方向不变，在同一M数下，正激波是最强的激波。2）薄面沿气流方向倾斜的激波叫斜激波。空气通过斜激波，压力、密度、温度也要突然升高，但不象通过正激波那样强烈，流速降低，可能降为亚音速，也可能仍为超音速，气流通过斜激波后，气流方向要向外转折。音速范围低速范围一M数小于0.6左右（M＞0.6均为高速范围)；亚音速范围一M数从0.6左右至0.85左右；跨音速范围一M数从0.85左右至1.3左右；超音速范围一M数从1.3左右至5.0左右；高超音速范围一M数大于5.0。对在低速范围的飞行，可以认为空气压缩性对空气动力影响不大，即认为空气不可压缩，把空气密度看作是一个不变数。当M数大于0.6以上就要考虑空气压缩性的影响，空气的密度不再是个常数，而是变数了。X-51A高超声速飞行器，最高时速约5马赫当飞机由低速飞行进入高速飞行，就会遇到某些如激波、局部激波、音爆、热障等与低速飞行截然不同的现象。这主要是飞机高速飞行时，空气密度随着飞行速度的变化而变化。使飞机的空气动力发生了新的变化。而这种变化，又是由于飞机高速飞行中气流特性发生了显著变化引起的。美军HTV-2“猎鹰”——全球最快飞行器，时速可达20倍音速（合28000KM/h)两小时打遍全球。F-22“猛禽”战斗机超音速飞行这张照片是美空军F-22“猛禽”战斗机以超音速从美国核动力航空母舰“约翰·斯坦尼斯”号上空低空掠过的瞬间。“约翰·斯坦尼斯”号当时正在参加“北方利刃-2009”联合军事演习。音爆是自然界的奇迹之一，即便这种现象之所以出名，完全归功于喷气式飞机。尽管如此，不要忘了，当你听到雷声时，那也是音爆，有人在甩牛鞭时，同样会产生这种现象。航天飞机和火箭发射时也会产生音爆，有些科学家认为音爆最早出现在距今1.5亿年前，由恐龙尾巴以音速甩动时产生的。普朗特-格劳厄脱奇点这张照片显示的是“超级大黄蜂”战斗机低空飞行的瞬间，是因飞行中冲击波导致水汽凝结的最佳例证。用专业术语讲，这种现象亦称“普朗特-格劳厄脱奇点”(Prandtl–Glauertsingularity)。最早驾驶这些飞机突破音速的男女飞行员都是勇敢的英雄。查克·叶格(ChuckYeager)驾驶火箭发动机驱动的“贝尔”实验型飞机成功突破音速，成为人类飞行历史上首位突破音速的人。1953年，一位名叫杰姬·科克伦(JackieCochran)的女飞行员，驾驶F-86“佩刀”喷气式战斗机突破音障，这也是人类飞行历史上首次由投入生产的飞机突破音障的例子。叶格是科克伦的僚机和密友。科克伦是一位杰出的女性，除了是第一位突破音障的女飞行员外，她还创造了多项飞行记录：第一位驾机在航母上起降的女飞行员，第一位飞行速度达到2马赫的女飞行员，第一位驾驶轰炸机穿越北大西洋的女飞行员，第一位成功实施盲降(仪表着陆)的女飞行员，第一位驾驶固定翼喷气式飞机穿越大西洋的女飞行员，国际航空联合会历史上第一位女掌门人(1958–1961)，第一位戴着氧气面罩驾机飞行高度超过2万英尺的女飞行员。她还保持着飞行距离和飞行速度两项世界记录，值得一提的是，这些成就大多是在女人被认为不能从事男人事情的年代取得的。图为B-2A隐形轰炸机，其最高时速为0.95马赫（约合1163Km/h)，为高亚音速飞机。虽然其不能产生引爆，但由于机身与空气的压力巨降从而产生的水汽凝结成小水珠形成的水雾。F/A-18F“超级大黄蜂”在从菲律宾海低空掠过时，一架F/A18F“超级大黄蜂”战斗机在“小鹰”号航母上方突破音障。如果不是“超音速飞行之父”冯·卡门，我们或许永远别想看到这张F/A18F“超级大黄蜂”战斗机挑战音障的照片。冯·卡门发明的数学工具是设计如何突破音速的飞机细节所必需的。正如我们所知，许多在先进战机问世前便已离开人世的先驱者确实改变了世界。超音速飞机突破音障这张照片看上去就像是电影中的片段，实际上，它确实是为哥伦比亚电影公司视觉效果部门所拍摄，作为电影《绝密飞行》(Stealth)的一个场景。照片显示，美国海军陆战队第314战斗机攻击中队(VMFA-314)的一名机长驾驶超音速飞机在“卡尔·文森”号核动力航空母舰附近到达音速的瞬间。音爆的声音大小取决于距离听到它的人的远近。因为飞机距离我们十分遥远，听上去就像是两声巨响，以牛鞭为例，当我们在近前甩动时，它就会发出像爆竹一样清脆的响声。可以想象一下，如果上面的飞机像看上去那么近，一定会产生震耳欲聋的巨响。F/A-18“超级大黄蜂”突破音障在这张照片中，音爆开始在一架FA-18战斗机的机翼边缘形成。飞机在飞行过程中不断将前面的空气分子向两边推向两边，当飞机速度超过1马赫，空气被压缩成圆锥状，开始在机身前端形成，汇集为一个冲击波。在那瞬间四周空气压力骤降，发生了普朗特-格劳尔奇点(Prandtl-GlauertSingularity)效应，因此，空气中的水气就凝结成小水滴形成一团云雾。F-16喷气式战斗机这张照片显示了一架F-16喷气式战斗机机翼上方形成的水汽，看上去就像是彩虹在水汽中形成。同船只在从水面划过时，弓形波在船尾处产生一样，当飞机从空气中穿过时，也会产生同样的压力。B-1B“枪骑兵”超音速战略轰炸机在这张照片中，一架B-1B“枪骑兵”战略轰炸机突破音速时向左侧倾斜飞行，接着再进行特技翻滚。这一幕发生在东南亚，当时，美国空军、海军和海军陆战队举行开放参观日，向观众展示各型飞机。音爆是一个奇妙现象，当飞行器或其他物体的速度超过音速时，会产生冲击波，而且强度逐渐加大，直至突破音障时发出巨大的响声。音爆的形成需要三个条件：第一，以超过音速的速度飞行的物体(如飞机);第二，令速度传播的媒介(空气);第三，冲击波。F-14D“雄猫”战斗机这是一张在多云天气产生音爆的照片，F-14D“雄猫”喷气式战斗机看上去就像是它从“西奥多·罗斯福”号航空母舰上方飞过时被晕轮包裹住一样。我们先看到音爆，后听到音爆的声音，这是因为光的传播速度快于音速。想一想上面提到的闪电和雷声的例子——我们先看到闪电，后听到雷声，这是同一个道理。音爆云在这张照片中，看上去飞机尾部就像是发生爆炸一样令人感到恐惧，但它其实是我们在听到音爆以前，音障被突破的瞬间。相信我们每个人都听说过音爆，即便我们不清楚这具体是什么现象，即便我们没有亲眼见过。照片中的飞机是音爆形成和出现的最佳例证。但是，最为常见的一个例证是由闪电产生的雷声。在听到雷声以前，你会先看到闪电。另一个产生迷你音爆效应的物体是牛鞭，它在甩动时也能产生巨大的声响。当然，还有航天飞机以及我们最常与音爆联系起来的物体：飞行速度超过音速的飞机。