在這里，我們將伴隨大家一起探索宇宙深處的奧秘。
宇宙起源，黑洞，蟲洞，多維空間，相對論，量子力學(xué)，地外文明，迷失古跡，不解之謎，科技前沿。
從宏觀到微觀，從科技到科幻，我們一一為您呈現(xiàn)！
歡迎廣大宇宙愛好者持續(xù)關(guān)注我們微信平臺！
后，從航空器最前端起會(huì)產(chǎn)生一股圓錐形的音錐，在旁觀者聽來這股震波有如爆炸一般，故稱為音爆或聲爆（Sonic Boom）。強(qiáng)烈的音爆不僅會(huì)對地面建筑物產(chǎn)生損害，對于飛行器本身伸出沖擊面之外部分也會(huì)產(chǎn)生破壞。
除此之外，由于在物體的速度快要接近音速時(shí)，周邊的空氣受到聲波疊合而呈現(xiàn)非常高壓的狀態(tài)，因此一旦物體穿越音障后，周圍壓力將會(huì)陡降。在比較潮濕的天氣，有時(shí)陡降的壓力所造成的瞬間低溫可能會(huì)讓氣溫低于它的露點(diǎn)（Dew Point），使得水汽凝結(jié)變成微小的水珠，肉眼看來就像是云霧般的狀態(tài)。但由于這個(gè)低壓帶會(huì)隨著空氣離機(jī)身的距離增加而恢復(fù)到常壓，因此整體看來形狀像是一個(gè)以物體為中心軸、向四周均勻擴(kuò)散的圓錐狀云團(tuán)。
音障解釋
物體與流體發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對流體產(chǎn)生擾動(dòng)。
下面，以飛機(jī)與大氣的擾動(dòng)為例，當(dāng)飛機(jī)引起大氣的擾動(dòng)之后，這個(gè)擾動(dòng)將以波的形式向空間傳播。理想的形式為球面波。但根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)原理，在1時(shí)刻飛機(jī)在地點(diǎn)1引起球面波1，之后飛機(jī)以v的速度前行，球面波以u的速度擴(kuò)散，在2時(shí)刻飛機(jī)在地點(diǎn)2引起球面波2，兩者速度不變。如此積累，因?yàn)轱w機(jī)始終在向前，則若干波的疊加后形狀。
以上是飛機(jī)勻速飛行的情況，若飛機(jī)加速，則情況更加明顯。 如果飛機(jī)速度沒有超音速，即vu時(shí)，第一次引起的擾動(dòng)波將與以后引起的擾動(dòng)波疊加，并始終處于飛機(jī)前部不遠(yuǎn)處。這個(gè)不斷疊加的波就是我們通常所謂的激波了。
音障現(xiàn)象是一個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
如果僅僅是因?yàn)樵谝羲俑浇?，所以出現(xiàn)音障現(xiàn)象，那么飛機(jī)整體均應(yīng)出現(xiàn)音障現(xiàn)象，因?yàn)轱w機(jī)整體是一個(gè)速度。如果說音障造成了液化，那么整個(gè)飛機(jī)都應(yīng)在液化環(huán)境中。所以用音障來介紹飛機(jī)周圍的液化現(xiàn)象是不合適的。盡管在音速的時(shí)候出現(xiàn)了空氣液化的情況，液化應(yīng)該從其自身的產(chǎn)生條件來考慮。當(dāng)濕度大的空氣受到壓縮時(shí)，空氣中的水就會(huì)液化。當(dāng)飛機(jī)速度很高的時(shí)候，將在迎風(fēng)面形成高壓，高壓下空氣中水汽沸點(diǎn)升高，就會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象。這也可以解釋為什么飛機(jī)后半部分沒有霧的現(xiàn)象。因?yàn)轱w機(jī)后部壓力低，甚至出現(xiàn)負(fù)壓，即使前方的水顆粒進(jìn)入該區(qū)域，也會(huì)汽化而看不出來。
關(guān)于飛機(jī)周圍壓力變化，可以看做飛機(jī)不動(dòng)，空氣吹飛機(jī)，迎風(fēng)面會(huì)出現(xiàn)高壓，背部負(fù)壓，這在流體力學(xué)里面是有結(jié)果的。
振瞬間
人們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在飛行速度達(dá)到音速的十分之九，即馬赫數(shù)M0.9空中時(shí)速約950公里時(shí)，局部氣流的速度可能就達(dá)到音速，產(chǎn)生局部激波，從而使氣動(dòng)阻力劇增。要進(jìn)一步提高速度，就需要發(fā)動(dòng)機(jī)有更大的推力。更嚴(yán)重的是，激波能使流經(jīng)機(jī)翼和機(jī)身表面的氣流，變得非常紊亂，從而使飛機(jī)劇烈抖動(dòng)，操縱十分困難。同時(shí)，機(jī)翼會(huì)下沉、機(jī)頭往下栽；如果這時(shí)飛機(jī)正在爬升，機(jī)身會(huì)突然自動(dòng)上仰。這些討厭的癥狀，都可能導(dǎo)致飛機(jī)墜毀。這就是所謂“音障”問題。由于聲波的傳遞速度是有限的，移動(dòng)中的聲源便可追上自己發(fā)出的聲波。當(dāng)物體速度增加到與音速相同時(shí)，聲波開始在物體前面堆積。如果這個(gè)物體有足夠的加速度，便能突破這個(gè)不穩(wěn)定的聲波屏障，沖到聲音的前面去，也就是沖破音障。
一個(gè)以超音速前進(jìn)的物體，會(huì)持續(xù)在其前方產(chǎn)生穩(wěn)定的壓力波(弓形震波)。當(dāng)物體朝觀察者前進(jìn)時(shí)，觀察者不會(huì)聽到聲音；物體通過后，所產(chǎn)生的波(馬赫波)朝向地面?zhèn)鱽?，波間的壓力差會(huì)形成可聽見的效應(yīng)，也就是音爆。
當(dāng)飛機(jī)的飛行速度比音速低時(shí)，同飛機(jī)接觸的空氣好像“通信員”似的，以傳遞聲音的速度向前“通知”前面即將遭遇飛機(jī)的空氣，使它們“讓路”。但當(dāng)飛機(jī)的速度超過音速時(shí)，飛機(jī)前面的空氣因來不及躲避而被緊密地壓縮在一起，堆聚成一層薄薄的波面——激波，激波后面，空氣因被壓縮，使壓強(qiáng)突然升高，阻止了飛機(jī)的進(jìn)一步加速，并可能使機(jī)翼和尾翼劇烈振顫而發(fā)生爆炸。
而音障不單單僅有聲波，還有來自空氣的阻力，當(dāng)飛行物體要接近1馬赫（聲速單位）飛行時(shí)，前方急速?zèng)_來的空氣不能夠像平常一樣通過機(jī)身擴(kuò)散開，于是氣體都堆積到了飛行體的周圍，產(chǎn)生極大的壓力，也會(huì)引發(fā)出一種看不見的空氣旋渦，俗稱“死亡漩渦”，這也被叫做音障，如果機(jī)身不作特殊加固處理，那么將會(huì)被瞬間搖成碎片
接近音障
第二次世界大戰(zhàn)后期，戰(zhàn)斗機(jī)的最大速度已超過每小時(shí)700公里。要進(jìn)一步提高速度，就碰到所謂“音障”問題。
聲音在空氣中傳播的速度，受空氣溫度的影響，數(shù)值是有變化的。飛行高度不同，大氣溫度會(huì)隨著高度而變化，因此音速也不同。在國際標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，海平面音速為每小時(shí)1227.6公里，在11000米的高空，是每小時(shí)1065.6公里。時(shí)速700多公里的飛機(jī)，迎面氣流在流過機(jī)體表面的時(shí)候，由于表面各處的形狀不同，局部時(shí)速可能出700公里大得多。當(dāng)飛機(jī)再飛快一些，局部氣流的速度可能就達(dá)到音速，產(chǎn)生局部激波，從而使氣動(dòng)阻力劇增。
這種“音障”，曾使高速戰(zhàn)斗機(jī)飛行員們深感迷惑。每當(dāng)他們的飛機(jī)接近音速時(shí)，飛機(jī)操縱上都產(chǎn)生奇特的反應(yīng)，處置不當(dāng)就會(huì)機(jī)毀人亡。第二次世界大戰(zhàn)后期，英國的噴火式戰(zhàn)斗機(jī)和美國的“雷電”式戰(zhàn)斗機(jī)，在接近音速的高速飛行時(shí)，最早感覺到空氣的壓縮性效應(yīng)。也就是說，在高速飛行的飛機(jī)前部，由于局部激波的產(chǎn)生，空氣受到壓縮，阻力急劇增加?！皣娀稹笔斤w機(jī)用最大功率俯沖時(shí)，速度可達(dá)音速的十分之九。這樣快的速度，已足以使飛機(jī)感受到空氣的壓縮效應(yīng)。為了更好地表達(dá)飛行速度接近或超過當(dāng)?shù)匾羲俚某潭?，科學(xué)家采用了一個(gè)反映飛行速度的重要參數(shù)：馬赫數(shù)。它是飛行速度與當(dāng)?shù)匾羲俚谋戎?，簡稱M數(shù)。M數(shù)是以奧地利物理學(xué)家伊·馬赫的姓氏命名的。馬赫曾在19世紀(jì)末期進(jìn)行過槍彈彈丸的超音速實(shí)驗(yàn)，最早發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)源在超音速氣流中產(chǎn)生的波陣面，即馬赫波的存在。M數(shù)小于1，表示飛行速度小于音速，是亞音速飛行；M數(shù)等于1，表示飛行速度與音速相等；M數(shù)大于1，表示飛行速度大于音速，是超音速飛行。
第二次世界大戰(zhàn)后期，飛行速度達(dá)到了650-750公里/小時(shí)的戰(zhàn)斗機(jī)，已經(jīng)接近活塞式飛機(jī)飛行速度的極限。例如美國的P-5lD“野馬”式戰(zhàn)斗機(jī)，最大速度每小時(shí)765公里，大概是用螺旋槳推進(jìn)的活塞式戰(zhàn)斗機(jī)中，飛得最快的了。若要進(jìn)一步提高飛行速度，必須增加發(fā)動(dòng)機(jī)推力但是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)無能為力。航空科學(xué)家們認(rèn)識到，要向音速?zèng)_擊，必須使用全新的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。
美國對超音速飛機(jī)的研究主要集中在貝爾X-1型“空中火箭”式超音速火箭動(dòng)力研究機(jī)上。研制X-l最初的意圖，是想制造出一架飛行速度略微超過音速的飛機(jī)。X-l飛機(jī)的翼型很薄，沒有后掠角。它采用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力。由于飛機(jī)上所能攜帶的火箭燃料數(shù)量有限，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)間很短，因此不能用X-1自己的動(dòng)力從跑道上起飛，而需要把它掛在一架B-29型“超級堡壘”重型轟炸機(jī)的機(jī)身下，升入天空。
飛行員在升空之前，已經(jīng)在X-l的座艙內(nèi)坐好。轟炸機(jī)飛到高空后，象投炸彈那樣，把X-l投放開去。X-l離開轟炸機(jī)后，在滑翔飛行中，再開動(dòng)自己的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)加速飛行。X-1進(jìn)行第一次空中投放試驗(yàn)，是在1946年1月19日；而首次在空中開動(dòng)其火箭動(dòng)力試飛，則要等到當(dāng)年12月9日才進(jìn)行，使用的是X-l的2號原型機(jī)。
又過了大約一年，X-l的首次超音速飛行才獲得成功。完成人類航空史上這項(xiàng)創(chuàng)舉的，是美國空軍的試飛員查爾斯·耶格爾上尉。他是在1947年10月14日完成的。24歲的查克·耶格爾從此成為世界上第一個(gè)飛得比聲音更快的人，使他的名字載入航空史冊。那是一次很艱難的飛行。耶格爾駕駛X-l在12800米的高空，使飛行速度達(dá)到1078公里/小時(shí)，相當(dāng)于M1.015。
在人類首次突破“音障”之后，研制超音速飛機(jī)的進(jìn)展就加快了。美國空軍和海軍在競創(chuàng)速度記錄方面展開了競爭。1951年8月7日，美國海軍的道格拉斯 D.558-II型“空中火箭”式研究機(jī)的速度，達(dá)到M1.88。有趣的是，X-l型和D.558-II型，都被稱為“空中火箭”。 D.558-II也是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，由試飛員威廉·布里奇曼駕駛。8天之后，布里奇曼駕駛這架研究機(jī)，飛達(dá)22721米的高度，使他成為當(dāng)時(shí)不但飛得最快，而且飛得最高的人。接著，在1953年，“空中火箭”的飛行速度，又超過了M2.0，約合2172公里/小時(shí)。人們通過理論研究和一系列研究機(jī)的飛行實(shí)踐，包括付出了血的代價(jià)，終于掌握了超音速飛行的規(guī)律。高速飛行研究的成果，首先被用于軍事上，各國競相研制超音速戰(zhàn)斗機(jī)。1954年，前蘇聯(lián)的米格-19和美國的F-100“超佩刀”問世，這是兩架最先服役的僅依靠本身噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)即可在平飛中超過音速的戰(zhàn)斗機(jī)；很快，1958年F-104和米格-21又將這一記錄提高到了M2.0。盡管這些數(shù)據(jù)都是在飛機(jī)高空中加力全開的短時(shí)間才能達(dá)到，但人們對追求這一瞬間的輝煌還是樂此不疲。將“高空高速”這一情結(jié)發(fā)揮到極致的是兩種“雙三”飛機(jī)，米格-25和SR-71，它們的升限高達(dá)30000米，最大速度則達(dá)到了驚人的M3.0，已經(jīng)接近了噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的極限。隨著近年來實(shí)戰(zhàn)得到的經(jīng)驗(yàn)，“高空高速”并不實(shí)用，這股熱潮才逐漸冷卻。
關(guān)注【宇宙解碼】公眾平臺的3種方法
1. 點(diǎn)擊文章標(biāo)題下藍(lán)色字“宇宙解碼”進(jìn)行快捷關(guān)注
聯(lián)系客服
