飛機突破音速瞬間,看到聲音被甩在後面的樣子!

2020-12-22 瘋狂機械控

超音速飛機在突破音障時,如果天氣條件允許,會出現普朗特-格勞厄脫凝結雲,特徵是一個以飛機為中心軸、從機翼前段開始向四周均勻擴散的圓錐狀雲團。

這是由於激波面後方因氣壓降低導致溫度的降低,進而引起水氣凝結。水氣凝結變成微小的水珠後,肉眼看來就像是雲霧般的狀態。這個低壓帶會隨著離機身的距離增加,而迅速消失。

在平靜的水面上,如果投一塊石頭,水面上立刻會出現一圈一圈的水波向四周傳播,波及整個水面。但如果是在水面上運動的物體在水中激起的水波是從艇前開始,呈一楔形向外傳播。其前緣密集,波浪很大,而後面波浪就很小。這種波稱為楔形水波。此波隨同快船一道前進,波及的範圍始終在楔形之內。

當飛機在空中作超音速飛行時,在機頭或突出部分,也會水中前進的快艇一樣出現一種楔形或錐形波,這就是激波。當它們向外傳播時,便互相干擾和影響,然後匯集成一道包羅機頭的前激波和一道尾隨機尾的後激波。

高速衝擊之下的空氣可被視為是處於絕熱過程之下的,因此壓力變化會引發空氣溫度的改變。在潮溼的空氣裡,衝擊波中空氣最稀薄的部分(貼近航空器的區域)溫度會降至露點以下,使得空氣中的水份快速凝結,形成可見的霧錐。壓力的改變離航空器越遠越小,因此凝結現象只會出現在航空器的前端周遭,並呈錐狀。

人們在實踐中發現,在飛行速度達到音速的十分之九,即馬赫數M0.9空中時速約950公裡時,局部氣流的速度可能就達到音速,產生局部激波,從而使氣動阻力劇增。要進一步提高速度,就需要發動機有更大的推力。

更嚴重的是,激波能使流經機翼和機身表面的氣流,變得非常紊亂,從而使飛機劇烈抖動,操縱十分困難。同時,機翼會下沉、機頭往下栽。如果這時飛機正在爬升,機身會突然自動上仰。這些討厭的症狀,都可能導致飛機墜毀,這就是所謂「音障」問題。

太空梭發射25秒至33秒之後,速度超過音速,即可見冷凝雲出現在前緣。一些核子試爆的檔案影片也記錄了這種效應,1946年美國十字路行動進行水下試爆,核爆所產生的衝擊波前端形成了短暫的冷凝霧雲。

實際上,低空飛行速度雖然沒達到或超過聲速,只要飛行速度足夠大,在飛機機翼等地方就會出現局部超聲速氣流,這時也會出現局部激波,從而產生局部凝結雲。在海平面上的飛行表演就會出現低空局部凝結雲,這時飛機的飛行速度並沒有超過聲速。

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