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  • 1 # 炮三木

    音障是指飛行器速度接近音速時,會追上自己發出的聲波造成震波,進而對加速產生障礙的現象。進入超音速後,航空器前端起會產生一股圓錐形的音錐,在旁觀者聽來有如爆炸一般,稱為音爆或聲爆。音障是一種物理現象,當物體(通常是航空器)的速度接近音速時,將會逐漸追上自己發出的聲波。聲波疊合累積的結果,會造成震波(Shock Wave)的產生,進而對飛行器的加速產生障礙,而這種因為音速造成提升速度的障礙稱為音障。突破音障進入超音速後,從航空器最前端起會產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)。強烈的音爆不僅會對地面建築物產生損害,對於飛行器本身伸出衝擊面之外部分也會產生破壞。

    除此之外,由於在物體的速度快要接近音速時,周邊的空氣受到聲波疊合而呈現非常高壓的狀態,因此一旦物體穿越音障後,周圍壓力將會陡降。在比較潮溼的天氣,有時陡降的壓力所造成的瞬間低溫可能會讓氣溫低於它的露點(Dew Point)溫度,使得水汽凝結變成微小的水珠,肉眼看來就像是雲霧般的狀態。但由於這個低壓帶會隨著空氣離機身的距離增加而恢復到常壓,因此整體看來形狀像是一個以物體為中心軸、向四周均勻擴散的圓錐狀雲團。

    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公里時,區域性氣流的速度可能就達到音速,產生區域性激波,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。由於聲波的傳遞速度是有限的,移動中的聲源便可追上自己發出的聲波。當物體速度增加到與音速相同時,聲波開始在物體前面堆積。如果這個物體有足夠的加速度,便能突破這個不穩定的聲波屏障,衝到聲音的前面去,也就是衝破音障。

    一個以超音速前進的物體,會持續在其前方產生穩定的壓力波(弓形震波)。當物體朝觀察者前進時,觀察者不會聽到聲音;物體通過後,所產生的波(馬赫波)朝向地面傳來,波間的壓力差會形成可聽見的效應,也就是音爆.

    當飛機的飛行速度比音速低時,同飛機接觸的空氣好像“通訊員”似的,以傳遞聲音的速度向前“通知”前面即將遭遇飛機的空氣,使它們“讓路”。但當飛機的速度超過音速時,飛機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,激波後面,空氣因被壓縮,使壓強突然升高,阻止了飛機的進一步加速,並可能使機翼和尾翼劇烈振顫而發生爆炸。

    而音障不單單僅有聲波,還有來自空氣的阻力,當飛行物體要接近1馬赫(聲速單位)飛行時,前方急速衝來的空氣不能夠像平常一樣透過機身擴散開,於是氣體都堆積到了飛行體的周圍,產生極大的壓力,也會引發出一種看不見的空氣旋渦,俗稱“死亡漩渦”這也被叫做音障,如果機身不作特殊加固處理,那麼將會被瞬間搖成碎片f-22突破音障的瞬間。第二次世界大戰後期,戰鬥機的最大速度,已超過每小時700公里。要進一步提高速度,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,數值是有變化的。飛行高度不同,大氣溫度會隨著高度而變化,因此音速也不同。在國際標準大氣情況下,海平面音速為每小時1227.6公里,在11000米的高空,是每小時1065.6公里。時速700多公里的飛機,迎面氣流在流過機體表面的時候,由於表面各處的形狀不同,區域性時速可能出700公里大得多。當飛機再飛快一些,區域性氣流的速度可能就達到音速,產生區域性激波,從而使氣動阻力劇增。

    這種“音障”, 曾使高速戰鬥機飛行員們深感迷惑。每當他們的飛機接近音速時,飛機操縱上都產生奇特的反應,處置不當就會機毀人亡。第二次世界大戰後期,英國的噴火式戰鬥機和美國的“雷電”式戰鬥機,在接近音速的高速飛行時,最早感覺到空氣的壓縮性效應。也就是說,在高速飛行的飛機前部,由於區域性激波的產生,空氣受到壓縮,阻力急劇增加。“噴火”式飛機用最大功率俯衝時,速度可達音速的十分之九。這樣快的速度,已足以使飛機感受到空氣的壓縮效應。為了更好地表達飛行速度接近或超過當地音速的程度,科學家採用了一個反映飛行速度的重要引數:馬赫數。它是飛行速度與當地音速的比值,簡稱M數。M數是以奧地利物理學家伊·馬赫的姓氏命名的。馬赫曾在19世紀末期進行過槍彈彈丸的超音速實驗,最早發現擾動源在超音速氣流中產生的波陣面,即馬赫波的存在。M數小於1,表示飛行速度小於音速,是亞音速飛行;M數等於1,表示飛行速度與音速相等;M數大於1,表示飛行速度大於音速,是超音速飛行。

    第二次世界大戰後期,飛行速度達到了650-750公里/小時的戰升機,已經接近活塞式飛機飛行速度的極限。例如美國的P-5lD“Mustang”式戰鬥機,最大速度每小時765公里,大概是用螺旋槳推進的活塞式戰鬥機中,飛得最快的了。若要進一步提高飛行速度,必須增加發動機推力但是活塞式發動機已經無能為力。航空科學家們認識到,要向音速衝擊,必須使用全新的航空發動機,也就是噴氣式發動機。超音速飛機的機體結構,同亞音速飛機相當不同:機翼必須薄得多;關鍵因素是寬高比,即機翼厚度與翼弦的比率。以亞音速的活塞式飛機來說,轟炸機的寬高比為17%,殲擊機是14%;但對超音速飛機來說,厚弦比就很難超過5%,即機翼厚度只有翼弦的二十分之一或更小,機翼的最大厚度可能只有十幾個釐米。超音速飛機的翼展(即機翼兩端的使離)不能太大,而是趨向於較寬較短,翼弦增大。設計師們想出的辦法之一,是將機翼做成三角形,前緣的後掠角較大,翼根很長,從機頭到機尾同機身相接(如Phantom-2000)。另一個辦法,把超音速機翼做得又薄又短,可以不用後掠角(如F-104)。

    由上可以知道,根據一架飛機的外形,我們就基本上可以判斷出它是超音速還是亞音速的飛機了。

    飛行器在速度達到音速左右時,會有一股強大的阻力,使飛行器產生強烈的振盪,速度衰減。這一現象被俗稱為音障。當飛行器突破這一障礙後,整個世界都安靜了,一切聲音全被拋在了身後!那個白的東西,就是在突破音障的一瞬間,由於空氣氣流的不均衡攪動產生的,一般情況下是看不到的,所以才珍貴。

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