音障

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一架正在穿越音障的美國海軍F/A-18F超級大黃蜂戰鬥機,注意到機身周圍震波面附近由於普朗特-格勞厄脫奇點(Prandtl-Glauert singularity)效應產生的圓錐形雲霧。

音障(Sound barrier),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。此時,由於機身對空氣的壓縮無法迅速傳播,將逐漸在飛機的迎風面及其附近區域積累,最終形成空氣壓強溫度速度密度等物理性質的一個突變面——震波(Shock Wave,又譯衝擊波、駭波或激波)面。震波的形成是超音速飛行的典型特徵。震波面將增加空氣對飛行器的阻力,這種因為音速造成提升速度的障礙被俗稱為音障。另外,在早期飛機的設計中,由於對穿音速空氣動力學了解尚少,所以曾多次發生飛機試圖超越音速時解體或者失控墜毀的嚴重事故,有人把這一時期困擾飛機製造業的難題也稱為「音障」。事實上,音障一詞的名聲大噪更多地來自於媒體的炒作及大眾的誤解,而非更加深刻的物理實質[1]

飛行器進入超音速飛行形成的震波面,是聲學能量的高度集中面,所以又稱音錐。音錐在聽覺上是一聲短暫而極其強烈(可能超越人耳聽力上限的)的爆炸聲,故稱為「音爆」或「聲爆」。強烈的音爆不僅會對地面建築物產生損害,也會給飛行器本身跨越衝擊面的部分造成巨大的壓力,所以各國一般都禁止超音速飛機在住宅區上空突破音速。

除此之外,穿音速飛行常常伴隨的一個效應稱為普朗特-格勞厄脫凝結雲(Prandtl-Glauert condensation clouds),其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。這是由於機翼引起氣流加速,空氣內能轉化為動能,導致溫度的降低,進而引起水氣凝結導致。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。這個高速區會隨著離機身的距離增加而迅速消失。值得一提的是,普朗特-格勞厄脫凝結雲並非只能在穿音速飛行中看到,與震波也沒有必然的聯繫,它僅僅表徵了空氣具有一定的可壓縮性。在合適的條件下,尚未接近音速的飛機也能在自己周圍產生普朗特-格勞厄脫凝結雲[2]

參考資料[編輯]