神奇的「婚紗」——飛機上為何出現錐形雲,此時一定在跨音速嗎?

2021-01-10 和風漫談

飛機、火箭等航空器在大氣層中高速飛行的景象無疑是壯觀的,充滿了速度、力量和雄壯感。

尤其在某些環境下,飛機和火箭身上會出現一團潔白的錐形雲。就像給它們披上了潔白的「婚紗」,看起來如夢如幻,讓人大呼過癮。

錐形音障雲

通常,人們稱這種漂亮的錐形雲霧稱為「音爆雲」或「音障雲」,認為這是飛行器在跨越音速時所產生的特有現象。

火箭頭部的音障雲

但事實並不是這樣的。其實音障雲只是眾多凝結雲中的一種,在合適的溫度、溼度和壓強條件下,即使飛行器沒有達到音速,或超過音速飛行,也一樣能產生漂亮的凝結雲。

如B-52和B-2這種又大又重的轟炸機,並不能超音速飛行,但有時機身上也會出現白色雲霧。

B-52身上的雲霧

此外,當飛機做大迎角機動或突然加速時,在空氣溼潤的環境中,機身上表面也會產生白色雲霧,這是另一種由渦流和壓力突降導致的水蒸氣凝結現象。

各種各樣的凝結雲都是局部環境壓力降低、溫度降低,導致空氣中的水蒸氣飽和凝結形成的。和天空中的雲朵道理差不多。

B-2身上的雲團

所以飛行器要想穿婚紗,首先就要選擇溼度較大的空氣環境,並營造出壓力降低、溫度降低的必要條件。

當然像以下這種凝結雲,地球科技解釋不了,只有天頂星技術或者PS高手才能實現了。

一、普朗特-格勞厄脫凝結雲。

「音爆雲」或「音障雲」,學名叫普朗特-格勞厄脫凝結雲。

當飛機在空氣中飛行時,每前進一步都會對周邊空氣分子產生擾動。空氣分子本來在那裡安靜地曬太陽,突然就被飛機撞了一下腰。巨大的能量傳來,空氣分子的平衡狀態立馬被打破,開始振蕩起來,整個空氣也被壓縮。

介質的壓縮-膨脹與聲波

壓縮後的空氣馬上想膨脹,再擠壓身後的空氣,於是能量隨著空氣不斷的壓縮-膨脹波動傳到遠方,傳播速度為當地的音速。聲音在空氣中也是這樣通過縱向波傳到遠方的,形成聲波。

當飛機速度小於音速時,空氣的壓縮-膨脹波動很快傳到遠方,不會積累。飛機前方都是沒有被壓縮的普通空氣,壓力、溫度不發生變化 ,自然不會形成凝結雲。

當飛機速度等於音速時,飛機與縱向波同時運動。第一團被壓縮的空氣剛想膨脹做功,飛機已經將下一團空氣壓縮。

激波形成

於是機身迎風面區域的壓縮空氣越來越密集,密度越來越大,阻力也越來越大。多個弱擾動不斷累加,到某一時刻就變成強擾動,形成激波。激波是超音速飛行時的典型特徵。

激波的厚度很小,激波面前的空氣因為壓縮得厲害,所以物理性質發生劇烈變化,溫度、壓強、密度都突然升高,流速降低。經過激波面後,空氣壓強和溫度都迅速降低,其中蘊含的水蒸氣達到飽和狀態,便凝結成小水滴,形成白色的凝結雲。

機頭機尾形成兩道激波

這種雲以飛機為軸心向四周散開,到稍遠處空氣逐漸恢復常態,凝結雲也就成了圓錐狀,幾乎與機身垂直或稍向後傾斜。

二、渦流和突然加速導致的凝結雲。

飛機突然急速機動或大迎角飛行時,機翼上表面的氣流會發生分離,形成渦流。

大迎角飛行產生的白色雲霧

渦流內部的壓力很低、溫度下降,水蒸氣凝結成小水滴,在機身上表面形成白霧繚繞的景象。與音障雲不同,渦流形成的雲霧一般集中在飛機上表面,且比較分散,區別明顯。和風漫談原創,禁止抄襲。

還有飛機從富含水蒸氣的高溼度環境中(如靠近海平面上空)突然加速掠過時,機身後部的空氣壓強猛然降低,大量的水蒸氣也會凝結成小水滴。通常夏天空氣溼度大,機身上的凝結雲也會更壯觀。

高溼度環境中的凝結雲

總之,飛行器身上潔白的「婚紗」,只是溫度、溼度和壓強制造的局部雲朵。飛機是否跨越音速並不是凝結雲出現的必要條件,而只是其中的一種情況,不能以偏概全。

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