殲-20高速飛行,為什麼機翼會冒出白煙?這是突破音障的音爆雲?

2020-12-16 科羅廖夫

近三年來,中國空軍的殲20隱身殲擊機多次公開展示,例如殲-20的雙機飛行表演,多機參加空中閱兵式。有觀眾發現,殲-20在進行低空高速飛行時,機翼的後方會出現醒目的白色煙霧。有專家解釋說,這是戰鬥機在進行超音速飛行,突破音障時產生的音爆現象。這是真的麼?

其實,戰鬥機是禁止在低空進行超音速飛行的。這並不是戰鬥機突破音障時產生的音爆,因為超音速飛機突破音障時,帶有很大的聲波震撼,具有一定的破壞力,所以一般不會在低空進行超音速飛行。戰鬥機的超音速飛行通常要到上千米的高度以上才進行。

戰鬥機如果在機場進行飛行表演時,實施低空超音速飛行,那麼戰機突破音障產生的強烈音爆,會直接傷害到現場的觀眾,也會對機場的地面設施造成破壞,所以,能被人們用照相機或手機拍攝下來的這種白煙,一定不會是戰鬥機的音爆雲。

超音速在低空超音速飛行,引發音爆,具有極大的破壞性。在國內電影裡也有個情節,我軍飛行員駕機超低空超音速飛行,引發了音爆,制服了地面的恐怖分子。這個其實是有真實戰例的,那是在1977年9月,印度尼西亞的一個分離主義武裝組織,在荷蘭武裝劫持了一列市郊的通勤火車。為了營救人質,荷蘭空軍派出2架F-104戰鬥機,對劫持案所在的市郊火車站進行了幾次超低空的超音速飛行,F-104戰鬥機引發的強烈音爆, 引發的超強聲波震撼和噴氣氣流,摧毀了火車站和列車的門窗玻璃,也讓恐怖分子和人質都立即失聰,癱倒,失去了行動能力,荷蘭的突擊隊趁機成功的解救了人質。

殲-20戰機在機場表演時,機翼後部拉出的「白煙」,其實是一種渦流。當殲-20戰機划過機場上空時,因為高速飛行時的機身和機翼前緣壓縮了空氣中的水汽,拉出了渦流。戰機這種狀態,通常是由於空氣中水汽引起的,跟超音速沒關係。實際上,殲-20隱身戰機飛行時除了機翼會拉出白煙霧,巨大的鴨翼、邊條翼和垂尾都會拉出白煙,這個白煙,其實就是大量的小水珠,類似於我們肉眼觀察到水沸騰時產生的水蒸氣,屬於一種水汽凝結現象,往往在靠近海邊的機場,或者潮溼的天氣環境下更容易出現。

空氣中是含有水的,而在常溫下的水蒸氣是無色透明的,並不能被直接看見。當水蒸氣突然遭遇低壓環境時,因為空氣會在低壓環境中迅速膨脹,從周邊吸收大量熱量,導致附近區域溫度降低,此時水蒸氣會因為遇冷迅速凝結成小水滴。突然形成的大量小水滴被外界直接看到的樣子就是一團白煙/白霧。

所以,殲-20隱身戰機飛行時機身、機翼、鴨翼、邊條翼和尾翼等部位產生的白煙霧,其實是空氣中水蒸汽轉化為大量小水滴的凝聚現象,它們的出現,說明殲-20隱身戰機高速飛行時,相對應的位置形成了低壓渦流環境。 例如,當殲-20隱身戰機在低空進行橫滾、高G轉彎、躍升、或者小角度盤旋等機動動作時,鴨翼、邊條翼、主機翼的前緣邊條處就會形成強烈的向上渦流,此時會導致飛機部分結構的上表面氣壓驟減,如果這時候空氣溼度比較大,水蒸氣比較充足,就很容易聚集水滴,產生白煙霧。

軍事專家所說的「音爆雲」,也屬於低壓渦流氣流一種。不過,音爆雲只有戰機在突破音速的一瞬間才出現。當戰機飛行速度超過音速時,結構前緣會產生強壓力波,也就是激波,激波的後方,因為氣壓降低導致溫度驟降,空氣中的水蒸氣就會凝結成大量水珠或冰晶。這時從遠處看起來,戰機的機身中部位置會被一圈雲霧籠罩,就像是穿上了美麗的天鵝裙,比一般的低速飛行時機翼冒白煙要更加壯觀美麗,不過,音爆雲通常只能持續短短的一兩秒鐘,轉瞬即逝。

所有因為飛機快速飛行導致的機翼冒白煙和「音爆雲」,學名都叫空氣動力尾跡。都跟飛機的氣動設計有關,但需要把這種現象分類,包括噴氣飛機的噴氣尾跡,渦輪發動機的尾氣尾跡,對流性尾跡、空中放油產生的白煙、飛行表演中拉出的彩煙等現象區分開來。

那麼,什麼飛機最容易產生渦流尾跡呢?在低空飛行表演中,殲-20隱身戰機就比其他戰機更容易拉出白煙,而且白煙更頻繁,更多部位出現冒白煙的現象。這主要得益於殲-20隱身戰機非常出色的氣動設計,殲-20戰機具有稜形隱身設計的機頭,前置鴨翼,邊條翼、尾翼、進氣唇口和主翼,都經過了精心設計,善於產生脫體渦流,能夠極大增加殲-20隱身戰機的亞音速和超音速狀態下的升力係數,讓殲-20戰機得以擁有更加優秀的機動性能。

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