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发表时间:2020-5-14 07:40

音障、音爆与冲破音障,威尔逊云与普朗特-格劳尔奇点效应



zyesheng 发表在 千奇百怪 华声论坛 http://bbs.voc.com.cn/forum-21-1.html


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  音障、音爆与冲破音障,威尔逊云与普朗特-格劳尔奇点效应

  一、音障与冲破音障

  大家都知道声音的传播是需要介质的,并且以压力波的形式传播。飞机在飞行过程中,发动机会发出声音,飞机的身体与空气摩擦也会发出声音,而超越音速的过程就是飞机不断追赶自己所发出声波的过程。

  由于声波的传递速度是有限的,移动中的声源便可追上自己发出的声波。当物体速度增加到与音速相同时,声波开始在物体前面堆积。如果这个物体有足够的加速度,便能突破这个不稳定的声波屏障,冲到声音的前面去,也就是冲破音障。

  实际上,超音速只是一个打破阻力的过程,一旦阻力打破,速度又将提升到另一个值。虽然原理看似简单,但想要做到还是非常难的。凝聚了一代科学家的智慧与结晶,才有了今天的超音速技术。

  1947年,查理耶格尔驾驶火箭发动机推进的贝尔X-1机首次突破声障。

  二、何为音障?

  人们在实践中发现,在飞行速度达到音速的十分之九,即马赫数M0.9空中时速约950公里时,局部气流的速度可能就达到音速,产生局部激波,从而使气动阻力剧增。要进一步提高速度,就需要发动机有更大的推力。

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  更严重的是,激波能使流经机翼和机身表面的气流,变得非常紊乱,从而使飞机剧烈抖动,操纵十分困难。同时,机翼会下沉、机头往下栽。

  如果这时飞机正在爬升,机身会突然自动上仰。这些讨厌的症状,都可能导致飞机坠毁。这就是所谓“音障”问题。

  冲破音障会产生“音爆”。

  三、世界奇迹之一“音爆”

  当飞机以超过音速的速度飞行,飞机所发出的声音的密度波无法跑在飞机前方,所以就全部叠在机身后方,形成了圆锥形状的音锥。

  当这种爆震波传到时,我们就听到所有累积起来的声音,在听觉上,这就是一声轰然巨响的音爆。在这一瞬间,整个世界都安静了,一切声音全被抛在了身后!

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  在飞机正好要加速穿过音障 (sound barrier)时,在飞机的周围,有时候会有一团云雾形成。

  不过, 这团云雾的成因是什么,仍然颇有争议。目前最风行的理论认为,在那瞬间四周空气压力骤降,发生了普朗特-格劳尔奇点 (Prandtl-Glauert Singularity)效应,因此,空气中的水气就凝结成小水滴形成一团云雾。




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回复时间:2020-5-14 07:42
  四、怎么突破音障?

  突破音障重要的是技术因素,不是一味的提高发动机推力,而在于通过改变飞机外形刺破音障。比如现在基本采用的方法是用很长的空速管来刺破音障,现在大多数机型都能突破音障飞行了,甚至达到三个马赫数,即三倍音速。

  超音速飞机的机体结构,同亚音速飞机相当不同:机翼必须薄得多;关键因素是宽高比,即机翼厚度与翼弦的比率。设计师们想出的办法之一,是将机翼做成三角形,前缘的后掠角较大,翼根很长,从机头到机尾同机身相接(如幻影-2000)。另一个办法,把超音速机翼做得又薄又短,可以不用后掠角(如F-104)。

  所以,根据一架飞机的外形,我们就基本上可以判断出它是超音速还是亚音速的飞机了。

  五、普朗特-格劳尔奇点

  普朗特-格劳尔奇点(Prandtl–Glauert singularity, P.G. singularity)现象有时被称为锥状云、冲击领或冲击鞘。当航空器以突破音速的高速巡航时,前端会短暂出现锥形的冷凝云。一般认为气压突然下降是造成这种现象的主因,但由于机制未完全明朗,因此这种现象是空气动力学上的一个奇点。

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  高速冲击之下的空气可被视为是处于绝热过程之下的,因此压力变化会引发空气温度的改变。在潮湿的空气里,冲击波中空气最稀薄的部分(贴近航空器的区域)温度会降至露点以下,使得空气中的水份快速凝结,形成可见的雾锥。压力的改变离航空器越远越小,因此凝结现象只会出现在航空器的前端周遭,并呈锥状。




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回复时间:2020-5-14 07:43
  人们在实践中发现,在飞行速度达到音速的十分之九,即马赫数M0.9空中时速约950公里时,局部气流的速度可能就达到音速,产生局部激波,从而使气动阻力剧增。要进一步提高速度,就需要发动机有更大的推力。

  更严重的是,激波能使流经机翼和机身表面的气流,变得非常紊乱,从而使飞机剧烈抖动,操纵十分困难。同时,机翼会下沉、机头往下栽。

  如果这时飞机正在爬升,机身会突然自动上仰。这些讨厌的症状,都可能导致飞机坠毁。这就是所谓“音障”问题。

  航天飞机发射25秒至33秒之后,速度超过音速,即可见冷凝云出现在前缘。一些核子试爆的档案影片也记录了这种效应,1946年美国十字路行动进行水下试爆,核爆所产生的冲击波前端形成了短暂的冷凝雾云。这种云被称为"威尔逊云",因为看起来与威尔逊云室中的现象类似。现代超高旁通比喷射引擎的扇叶,在起飞全速运转时也可见这种效应。

  六、威尔逊云与云室

  1894年,威尔逊在英国第一高峰苏格兰的本内维斯峰的天文台度过了几个星期的时间。在那里,他看到了阳光返照云彩的奇景,使他想在实验室中再现它们,这就使他走上了发明云室的道路。

  1895年,他设计了一套设备,使水蒸气冷凝来形成云雾。当时人们认为,要使水蒸气凝结,每颗雾珠必须有一个尘埃为核心。威尔逊仔细除去仪器中的尘埃后发现,无需尘埃,而用X射线照射云室时,云雾立即出现,这证明凝聚现象是以离子为中心出现的。

  经过四年研究,他总结出,当无尘空气的体积膨胀比为1.25时,负离子开始成为凝聚核心;当膨胀比为1.28时,负离子全部成为凝聚核心。对于正离子来说,膨胀比为1.31时开始成为凝聚核心,膨胀比为1.35时全部成为凝聚核心。

  1927年,威尔逊因发明云室而与康普顿同获诺贝尔物理学奖。延伸与升华

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回复时间:2020-5-14 07:46
  (一)超音速飞机冲破音障时的“音爆云”

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  (二)实例图

  1. F-22“猛禽”战斗机超音速飞行
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  2. 普朗特-格劳厄脱奇点




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回复时间:2020-5-14 07:48
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  4. FA-18“超级大黄蜂”超音速飞行

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  5. 超音速飞机突破音障

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  6. FA-18“超级大黄蜂”突破音障

  




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  7. F-16喷气式战斗机

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  8. B-1B“枪骑兵”超音速战略轰炸机

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  9. F-14D“雄猫”战斗机

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回复时间:2020-5-14 11:55
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