声屏障

Article

October 18, 2021

声屏障是一个航空术语。以等于或小于音速的速度飞行的飞机会在其前方形成一个波前。它以声速移动——就像空气中的任何压力扰动一样。如果飞机比声音飞得更快(即超音速),则该波前呈锥形。当它经过时,这个锥形波前被感知为一声巨响。因此,当飞机(或其他物体)加速超过音速时,就不会听到砰的一声。在人们设法飞得比声音还快之前的几年里,一些科学家认为波前的压力会变得如此之大,以至于飞机会撞上它试图超越波前(即飞得比声音快)。这产生了名称声墙或声屏障。

历史

1947 年 10 月 14 日,美国人 Chuck Yeager 在一架 X-1 火箭飞机(火箭不是从地面发射,而是由飞机升起)突破了这个音障。随着更有效的流线型,音障变得不像之前想象的那么坚不可摧。从二战开始,就有德国梅塞施密特 Me 262 的已知案例,这是一种带有两个喷气发动机的战斗机,这表明这架飞机在俯冲时也可以超过音速。有一份来自当时的飞行员的报告,博士。汉斯·吉多·穆特克。对此的分析发表在德美航空 60 周年大会上,以回应在 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt 举行的喷气式飞机 60 周年大会。Mutke 声称他于 1945 年 4 月 9 日带着他的 Me-262 通过了因斯布鲁克附近的音障,但不排除这也发生在这台机器的其他德国飞行员身上。 1960 年 8 月 16 日,美国空军飞行员约瑟夫·基廷格 (Joseph Kittinger) 从氦气球下的平台上从 31,332 米的高度跳下,在自由落体中达到了每小时 988 公里的速度。他只是勉强突破了音障。此后,包括米歇尔·富尼耶和菲利克斯·鲍姆加特纳在内的几人准备或尝试穿着特殊套装从比基廷格跳的高度(提到了 36 至 40 公里的高度)更高的高度进行跳跃,目标是达到第一个成为突破音障的伞兵。 2012 年 10 月 14 日,在第一个乘坐飞机的人突破音障整整 65 年后,Felix Baumgartner 作为第一位伞兵成功突破音障。他从约 39 公里的高度跳下,时速达到 1357 公里/小时(1.25 马赫)。

手术

压力扰动

对于理想气体,声速只取决于温度,但在空气中还取决于压力和介质的性质。这可以在分子水平上解释:当声源发出声音时,这是空气中的压力扰动。运动能量从声源释放,部分转移到附近的分子。由于分子之间相互碰撞,动能进一步扩散。波包含的能量越多,声音就越强。在更高的温度下,分子已经具有更高的动能,换言之,它们移动得更快,因此发生碰撞的机会也更大,而这些碰撞也更难相互交换能量。声音在固体中传播得更快,因为分子在那里靠得更近,因此彼此交换能量的速度更快。因此,声波的能量通过介质中分子的碰撞传播。

飞机

当飞机移动时,它会产生声音(由于湍流和空气阻力),但每次都在不同的地方。由于多普勒效应,飞机前方的感知俯仰比后方高。随着飞机从下方接近音速,飞机前方的声波之间的距离会越来越小。随着飞机移动得越来越快,波浪彼此靠得更近。当达到音速时,飞机前方的声波合并为一个波前。这个波前具有非常高的能量密度和压力,因为压缩空气中富含能量的分子都聚集在飞机机头的一个点上。当飞机达到音速时,声波重叠并产生幅度非常大的声波:冲击波。过去人们认为打破声音的障碍是困难的,并称之为音障。然而,超过音速的加速度不需要比正常更多的能量。

穿过音障

一旦穿过这道“音墙”,就会出现完全不同的现象。现在飞机的飞行速度比它发出的声波还要快。在较低的速度下,这些声波是飞机周围和前方分子的预兆。这允许分子提前组织起来,并且它们可以轻松地沿着飞机的机头或机翼穿过。如果这些信号来得太晚,未准备好的空气会突然被飞机的尖端刺穿,导致阻力增加。

激波

现在,飞机经过该点后会发出声波,从而在飞机后面产生声波。这些声波形成锥形。由于空气在那里被压缩,因此在这些声波的切线处会产生冲击波。换句话说,这是在飞机顶部产生的一种压力波。这称为头波或马赫面。

爆裂和冷凝

观察者在这个锥体之外不会听到任何声音,但是当飞机经过他时,他会同时听到所有重叠的声波。因为耳朵不再能区分所有这些重合的声音,所以当飞机经过时,观察者会听到一声,有时是两声巨响。锥体内外的物理状态是非常不同的。例如,顶波内的总压力要低得多,有时会形成壮观的凝结云。这种现象源于绝热膨胀,被称为普朗特-格劳尔特奇点。由于压降发生得如此之快,以至于无法进行热交换,因此飞机后面的空气温度下降。这种情况发生得如此强烈,以至于空气中的水蒸气凝结并形成可见的水滴(以云的形式)。产生水蒸气的表面使旋转锥的形状可视化。在压力下降最多的地方可以最好地看到云。这通常在机翼后面。

压力波

如果一个物体的传播速度比声音快,则该物体引起的压力波就不能再远离该物体传播。然后压力波比物体慢。这里的“较慢”是指在海平面约 1200 公里/小时。在飞行高度,声速大约低 10%。如果是飞机,产生的声波会​​继续跟随飞机。然后它在锥形冲击波的顶部飞行。主激波是由飞机的机头产生的。较小的冲击波来自飞机机身的其他不连续部分。

锥形冲击波

用另一种方式解释,在空气中移动的物体会将空气推到一边。空气的微小扰动以声速传播。来自缓慢移动的物体的干扰会以圆圈形式传播,就像将石头扔进水中时产生的波浪一样(参见惠更斯原理)。当身体快速移动时,这些圆圈在移动方向上靠得更近。当身体超音速移动时,圆圈会重叠。所有这些圆的轮廓然后形成一个锥体。那个圆锥体的顶角是由速度决定的,身体越快,顶角越窄。这也可以在水中看到:一只快速游泳的鸭子,或一条船,也留下了一个尖顶角的尾流(这是由不同的影响引起的,与水深有关)。这个锥体的存在是由恩斯特马赫在 19 世纪通过对射弹的观察发现的。飞机的速度可以用马赫数来表示。例如,2 马赫的速度是音速的两倍。

琐事

鞭子的“砰砰”声是由尖端移动得太快以至于它穿过了声障引起的。