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[航空航天] 十大奇特音爆瞬间:超音速飞机突破音障

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发表于 2018-3-13 15:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  物体运行速度接近音速时,会有一股强大的阻力,使物体产生强烈的振荡,速度衰减。这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。突破音障时,由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播,逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面,在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声,称为音爆(Sonic Boom)。

  “音爆”只有在飞机作超音速飞行时才会出现。飞机在超音速飞行时产生的强压力波,传到地面上形成如同雷鸣的爆炸声。在突破音障时伴随的一个奇特现象便是“音爆云”,这是由于在激波面后方由于气压增加而压缩周围空气,使水气凝结形成微小的水珠,看上去就像云雾一般。这种云雾通常只能持续几秒钟,激波现身,转瞬即逝。音爆云是国内对这种现象的一个俗称,较为严肃一点的描述为Prandtl-Glauert condensation clouds(普朗特-格劳厄脱凝结云)。

  因此,音爆云常见于战斗机和舰载机。在海面上空气非常湿润,激起的云雾更大更漂亮。就像给飞机套上一件天鹅裙,不过没有优雅的感觉,反而是近乎疯狂。如果能亲眼看到,场面一定很壮观。以下即是十个最令人不可思议的音爆瞬间。

  1. F-22“猛禽”战斗机超音速飞行
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  F-22“猛禽”战斗机超音速飞行
  这张照片是美空军F-22“猛禽”战斗机以超音速从美国核动力航空母舰“约翰·斯坦尼斯”号上空低空掠过的瞬间。“约翰·斯坦尼斯”号当时正在参加“北方利刃-2009”联合军事演习。

  音爆是自然界的奇迹之一,即便这种现象之所以出名,完全归功于喷气式飞机。尽管如此,不要忘了,当你听到雷声时,那也是音爆,有人在甩牛鞭时,同样会产生这种现象。航天飞机和火箭发射时也会产生音爆,有些科学家认为音爆最早出现在距今1.5亿年前,由恐龙尾巴以音速甩动时产生的。

  2. 普朗特-格劳厄脱奇点
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  普朗特-格劳厄脱奇点
  这张照片显示的是“超级大黄蜂”战斗机低空飞行的瞬间,是因飞行中冲击波导致水汽凝结的最佳例证。用专业术语讲,这种现象亦称“普朗特-格劳厄脱奇点”(Prandtl–Glauert singularity)。最早驾驶这些飞机突破音速的男女飞行员都是勇敢的英雄。

  查克·叶格(Chuck Yeager)驾驶火箭发动机驱动的“贝尔”实验型飞机成功突破音速,成为人类飞行历史上首位突破音速的人。1953年,一位名叫杰姬·科克伦(Jackie Cochran)的女飞行员,驾驶F-86“佩刀”喷气式战斗机突破音障,这也是人类飞行历史上首次由投入生产的飞机突破音障的例子。叶格是科克伦的僚机和密友。

  科克伦是一位杰出的女性,除了是第一位突破音障的女飞行员外,她还创造了多项飞行记录:第一位驾机在航母上起降的女飞行员,第一位飞行速度达到2马赫的女飞行员,第一位驾驶轰炸机穿越北大西洋的女飞行员,第一位成功实施盲降(仪表着陆)的女飞行员,第一位驾驶固定翼喷气式飞机穿越大西洋的女飞行员,国际航空联合会历史上第一位女掌门人(1958–1961),第一位戴着氧气面罩驾机飞行高度超过2万英尺的女飞行员。她还保持着飞行距离和飞行速度两项世界记录,值得一提的是,这些成就大多是在女人被认为不能从事男人事情的年代取得的。

  3. F/A-18F“超级大黄蜂”
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  F/A-18F“超级大黄蜂”
  在从菲律宾海低空掠过时,一架F/A 18F“超级大黄蜂”战斗机在“小鹰”号航母上方突破音障。如果不是“超音速飞行之父”冯·卡门,我们或许永远别想看到这张F/A 18F“超级大黄蜂”战斗机挑战音障的照片。冯·卡门发明的数学工具是设计如何突破音速的飞机细节所必需的。正如我们所知,许多在先进战机问世前便已离开人世的先驱者确实改变了世界。

  4. FA-18“超级大黄蜂”超音速飞行
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  FA-18“超级大黄蜂”超音速飞行
  这张照片是詹姆斯·蒙哥马利少校驾驶F/A-18战斗机从美国“企业”号航母低空掠过时突破音障的瞬间。纵然你可以在驾驶舱后面看到迷你音爆,但一个有趣的事实是,驾驶员根本听不到。到音爆发生之时,他们已经身处音爆的前方,所以只能根据仪器判断是否已经突破音速。你或许认为,鉴于驾驶员与音爆之间如此靠近,应该有些声音,然而事实上没有。

  5. 超音速飞机突破音障
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  超音速飞机突破音障
  这张照片看上去就像是电影中的片段,实际上,它确实是为哥伦比亚电影公司视觉效果部门所拍摄,作为电影《绝密飞行》(Stealth)的一个场景。照片显示,美国海军陆战队第314战斗机攻击中队(VMFA-314)的一名机长驾驶超音速飞机在“卡尔·文森”号核动力航空母舰附近到达音速的瞬间。

  音爆的声音大小取决于距离听到它的人的远近。因为飞机距离我们十分遥远,听上去就像是两声巨响,以牛鞭为例,当我们在近前甩动时,它就会发出像爆竹一样清脆的响声。可以想象一下,如果上面的飞机像看上去那么近,一定会产生震耳欲聋的巨响。

  6. FA-18“超级大黄蜂”突破音障
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  FA-18“超级大黄蜂”突破音障
  在这张照片中,音爆开始在一架FA-18战斗机的机翼边缘形成。飞机在飞行过程中不断将前面的空气分子向两边推向两边,当飞机速度超过1马赫,空气被压缩成圆锥状,开始在机身前端形成,汇集为一个冲击波。

  7. F-16喷气式战斗机
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  F-16喷气式战斗机
  这张照片显示了一架F-16喷气式战斗机机翼上方形成的水汽,看上去就像是彩虹在水汽中形成。同船只在从水面划过时,弓形波在船尾处产生一样,当飞机从空气中穿过时,也会产生同样的压力。

  8. B-1B“枪骑兵”超音速战略轰炸机
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  B-1B“枪骑兵”超音速战略轰炸机
  在这张照片中,一架B-1B“枪骑兵”战略轰炸机突破音速时向左侧倾斜飞行,接着再进行特技翻滚。这一幕发生在东南亚,当时,美国空军、海军和海军陆战队举行开放参观日,向观众展示各型飞机。音爆是一个奇妙现象,当飞行器或其他物体的速度超过音速时,会产生冲击波,而且强度逐渐加大,直至突破音障时发出巨大的响声。音爆的形成需要三个条件:第一,以超过音速的速度飞行的物体(如飞机);第二,令速度传播的媒介(空气);第三,冲击波。

  9. F-14D“雄猫”战斗机
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  F-14D“雄猫”战斗机
  这是一张在多云天气产生音爆的照片,F-14D“雄猫”喷气式战斗机看上去就像是它从“西奥多·罗斯福”号航空母舰上方飞过时被晕轮包裹住一样。我们先看到音爆,后听到音爆的声音,这是因为光的传播速度快于音速。想一想上面提到的闪电和雷声的例子——我们先看到闪电,后听到雷声,这是同一个道理。

  10. 音爆云
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  音爆云
  在这张照片中,看上去飞机尾部就像是发生爆炸一样令人感到恐惧,但它其实是我们在听到音爆以前,音障被突破的瞬间。相信我们每个人都听说过音爆,即便我们不清楚这具体是什么现象,即便我们没有亲眼见过。照片中的飞机是音爆形成和出现的最佳例证。但是,最为常见的一个例证是由闪电产生的雷声。在听到雷声以前,你会先看到闪电。另一个产生迷你音爆效应的物体是牛鞭,它在甩动时也能产生巨大的声响。当然,还有航天飞机以及我们最常与音爆联系起来的物体:飞行速度超过音速的飞机。

  音爆的能量巨大,一架低空超音速飞行的战斗机产生的音爆足以震碎门窗玻璃。有人测量过,一架在 16000米高空以两倍音速飞行的协和客机产生的音爆对地面产生的压强高达100帕,相当于给一块一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力,玻璃哗哗直响就不难解释了。我们把压强换算成更直观的声强,100帕大约相当于133分贝,如果你恰好身处某重金属摇滚音乐会的大音箱旁边,就知道133分贝的声音会对 你产生什么样的影响了。因此协和被禁止在陆地上进行超音速飞行,这与高昂的营运费用一起直接断送了这种优雅的飞机的生命,2003年,所有的协和退出市场,从此天空中不再有超音速客机的身影。

  “音爆”的强弱以及对地面影响的大小,与飞机飞行高度有着直接的关系。因为,激波和水波一样,距离越远,波的强度也越弱。当飞机作低空超音速飞行时,不但地面的人畜能听到震耳欲聋的巨响,影响人们的生活和工作,严重的还可以震碎玻璃,甚至损坏不坚固的建筑物,造成直接的损失。随着飞行高度的增加,这种影响越来越弱,当超过一定的高度后,地面基本不会受到影响。

  本文的内容整理自百度百科和新浪科技频道。

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