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【视频】音爆云的杀伤力有多大?只有突破音障的时候才会产生吗

温度低于冰点,自然会引起水汽凝结,所谓的“音爆云”,大致就是这么出现的。

“音爆云”是一种非常漂亮的物理现象,当飞机高速飞行时,有会一定概率看到围绕在机身周围,如同白色纱裙一般的锥形薄雾。虽然只会持续短短的时间,却是为军迷们所津津乐道的战机专属现象,因为民用飞机几乎没有可以达到声速的。

音爆云是怎么产生的?这层云是不是跟突破声速一定有关呢?又或者还有其他的“神秘力量”相助呢?

这就要从突破“声障”的历史说起了,自从飞机发明以来,怎么样飞得快就是一直是各国航空设计师和科学家们的孜孜追求。在活塞机时代,尽管对机身进行不断的修形,发动机功率一再提高,但每小时800公里基本上就是上限了。很长一段时间内,飞行器能否突破声速,人们都存在争议。

为什么活塞机始终不能超越声速呢?只要以螺旋桨来驱动飞机,那么桨尖一定是螺旋桨上线速度最大的地方,考虑到飞机本身还有向前的平动速度,实际上桨尖相对于空气(或地面)是在做一个螺旋运动。当飞机速度达到每小时700多公里的时候,桨尖的合成速度(转动 + 平动)就已经达到声速了。

▲假如一定要用螺旋桨式飞机来突破超声速,那么桨叶大概就得是这个样子,直径变小,面积增加,还得像弯刀一样

▲活塞机的究极体:海火Mk47就采用了类似布局

▲现代的螺旋桨通常要进行外形优化,来尽量推迟桨尖激波的产生

浆尖达到声速,就会形成激波,导致转动阻力陡增,最直接的现象就是螺旋桨转动吃力,然后就会出现动力不足,再然后飞机就该栽下去了……,所以要想以螺旋桨为动力形式来超越声速,从原理上讲是难以实现的。

这里顺便说一下激波(Shock wave),简单的讲,激波就是物体在某种介质中运动,当速度足够快时,对这种介质产生的扰动来不及传播开来,被迫迭加形成的压缩波。通常飞机产生激波,或螺旋桨产生激波,大致都可以这样理解。

如果从本质上讲,激波应该这样解释——超声速气流受到扰动后产生的压缩波,可以产生在物体表面上,也可以产生在管道内,但无论如何,气体超声速流动是必要条件。激波产生后,激波前后的介质物理参数会发生突变,对于空气来讲,密度、压力和温度会变大,流速会减慢,这也是为什么出现激波后,阻力会突然大的原因。

▲物体是钝头还是尖头决定了激波的强度Griffin 和附着形式,你觉得哪一个阻力更大?

激波可以设想为空气来不及闪开而在瞬间被挤压而成,并随着物体前进的一个断层,如同一堵薄而硬的墙壁,如果一个物体顶着或带着激波(为什么要说“带”呢?后面再讲),就像顶着一把大伞或带着一圈环形板一样,阻力会大很多,这也是飞机要突破声障的一道难关——发动机的动力要足够大。

▲X-1装备火箭发动机由母机投放到空中

基于以上原因,要想突破声障,就得采用新的动力方式。人类首次实现超声速飞行的纪录是在1947年10月14日,由美国飞行员查尔斯 埃尔伍德 耶格尔(CharlesElwood Yeager)驾驶名为“迷人的葛兰妮”号(Glamorous Glennis)的X-1试验机所创造,耶格尔在12800米的高度上依次打开四具灯火箭引擎,从0.83马赫一举冲到1.06马赫,并以此速度飞行了约20秒。

即使穿越声障发生在万米高空,地面指挥中心仍然听到了雷声般的巨响,这正是突破声速时产生的“音爆”。激波会在远离飞机一定距离后衰减为膨胀波,也就可以被听到,只是响声很大。

▲其实生活中听到莫名的巨响很可能是高空的战斗机在作训

响声大就意味着声波携带的能量大,而这个能量就来自于被激波消耗掉的飞机动力。X-1的成功说明了喷气式飞机才是突破声速的正确方向,之后的战机就基本告别螺旋桨了。

如果距离飞机足够近,激波还没有多少衰减的范围内,激波造成的压强变化已经超出人类的听觉范围了,所以是“听”不到激波的。当然,“听”不到激波的另一个原因是,这时候人已经被震死了……

▲人类真的这么脆弱?

在激波到来之前,人周围的空气是静止的,而激波锋面以非常接近飞机的速度撞上来,就如同飞来一块看不见的大门板,以人类的肉体凡胎,是经不住这样一“扇”的。

即使距离稍远,比如两三百米,这种巨大的声响也会对人产生巨大的震撼,甚至对建筑物也会有损害,所以战机会被禁止在人口密集的地方低空飞行。鑫磊所在的法外军团在马里执行任务时,有一种战术就是呼叫幻影2000低空飞行,以声波扫荡地面,就算躲在建筑物里,也会被震个七荤八素,战斗力大减。

▲飞机在高马赫数时产生的激波是这样的(风洞照片)

以上的分析是把飞机作为一个点来看待,这是一种简化的分析。一个点要产生激波,运动速度当然就得结结实实的达到声速才行。但飞机实际上是一个三维的立体物,细致分析的话,并不能完全简化为一个点。

我们在平时的生活中都有这样的经验,如果身处一个相对狭窄的空间,那么通过其中的空气流动速度将会大于在一个敞开的空间,这是因为在密度变化微小的前提下,截面积变小,流速就得变快,这样才能保持通量平衡。在亚声速风洞中,正是利用这个原理来加速气体流动。

▲这是超临界翼型RAE2822在0.729马赫(2度攻角)下模拟计算所得到的马赫数流场,在翼型最厚处,马赫数已经大于1(越红越数值越大)

通常飞机或其它飞行物(比如炮弹),从头部开始,截面积会有一个渐次增加的部分,会将迎面而来的气流向两侧挤压,其效果相当于减小了空气通过的截面积。如果以飞机(或炮弹)本身为参照物,就会出现这么一个现象——在横截面积最大的地方,两侧的流速是大于迎面空气流速的。

所以,在飞机或炮弹的表面上,气流最早达到超声速的地方并不是在头部,而是在横截面积最大的地方。通常把物体此时的马赫数称为“临界马赫数”,根据飞行物的形状不同,这个数字从0.6到0.9都有可能。那么气流达到了超声速,会发生什么情况呢?上面这幅图同样还是超临界翼型RAE2822在同等条件下的模拟计算结果,只是物理量换成了温度,也就是温度场。对比上图(注意流场颜色和图例),你有何发现?

▲带一定攻角飞行的战机形成的“云”从各个角度看都很漂亮!

在流速最大的地方,温度也低了,甚至低于零度。这是因为空气来流的能量是衡定的,速度快了,自然温度就减小(动能增加,内能减少)。低温同时也为马赫数增加做了贡献,因为空气的声速是与温度是正相关的(温度高,声速大,反之类推)。温度低于冰点,自然会引起水汽凝结,所谓的“音爆云”,大致就是这么出现的。

各种“音爆云”

如果你看过战机产生“音爆云”的动态视频,就会发现这种现象会持续一段时间,速度再快就消失了。其实原因也很简单,前面已经讲过,超声速气流只要受到扰动就会产生激波,而飞机或者炮弹的表面,并不会是绝对光滑的,只要有一点点微小的突起或一个小缝隙,就会立即形成一道激波,这几乎是与“云”同时产生的,这就是前面为什么说飞行物会“带”着激波的原因。

▲某种传统翼型的流场变化随着来流马赫数的增加,超声速区域从中间的局部开始向头尾扩散,最终形成前后两道完全发展的激波

此时形成的激波被称为“局部激波”,确实也是“局部”的。激波会带来相反的效应——流速下降,温度升高,当然,刚刚达到临界马赫数时在两侧产生的激波还比较弱,增温有限,但随着速度继续增加,激波强度增加,并且位置开始前移,于是“云”很快就又消失了。

可以看出,“音爆云”产生时,飞机与静止空气之间的相对运动速度还尚未达到声速,但也不能说与突破声障毫无关系,因为“声障”的实质是激波带来的巨大阻力,而“音爆云”实际上是与局部激波相伴生的现象。当然,根据其产生的原理,某些亚声速飞机同样会在达到临界马赫数时产生“音爆云”,比如最快能飞到第小时1000公里,约相当于0.8马赫的B-52就有此本领。

▲谁说块头大就帅不起来的?

在超音速状态进行机动时,飞行员将会承受巨大的压力!美军在1958年进行了一系列的试验,来检测人类的极限!下图中的飞行员在加速到340英里(约547公里)每小时的速度后,在1.4秒内瞬间停了下来!其间飞行员承受了50G以上的压力!

在后来的类似试验中,飞行员最高承受了83G的巨大压力!这个数字至今仍是世界纪录!试验的飞行员当场就昏了过去,本以为他会受很严重的伤,但是他仅仅休息了几天就恢复正常了…

▲毕竟我们不是超人…

▲运载阿波罗11号飞船的火箭在接近1马赫时产生的“音爆云”

▲这朵大蘑菇都认识吧?

其实“音爆云”有一个专业术语,叫做“普朗特-格劳厄凝结云”(Prandtl Clauert condensation clouds),不只是在飞机或火箭这些飞行器上能见到,某些剧烈爆炸,比如在核试验中也能见到这种现象。以上关于“音爆云”的粗略解释大致能说明飞行器为什么会在在接近声速时产生凝结云,但更为普遍的原理至今尚未明朗,仍是一个有待研究的领域。

▲客机在起降时产生的翼尖涡流会对下一架飞机产生有害影响,所以客机起降频率不能过于密集

另外,不要把“音爆云”和涡流混淆起来,涡流有时也会被看见,看上去也是像白色的雾气,但涡流和“音爆云”的产生原理以及外形特征都不一样。涡流是由于飞行器表面因为某种原因(气流撞上边条或鸭翼,在尾部不能自然折转补充后部空间)导至附面层发生分离而产生的,翼尖涡流则是由于机翼上下压力差而产生的环形流动。涡流要么是环形,要么是拉长的条状,这与通常都略呈锥形的“音爆云”有所不同。

产生涡流并不需要多么高的速度,我们平时骑上电动车就足以在身后产生涡流区了,只是看不见而已,当汽车行驶在土路上,车后飞扬的尘土,就是被涡流卷起来的。

现代战机因为发动机要向后喷气,对后部空间有补充气体的作用,所以机身后部的涡流就没有这么显著了。当然,对于那些发动机装在机翼上的运输机和客机来讲,同样还存在这个问题,所以它们的尾部都是呈平缓收缩的锥形,以减小涡流阻力。

▲这架F-22拉出四道涡流尾部喷出了漂亮的马赫环(Shock diamond)

关于航空,还有很多有趣且漂亮的现象,比如喷气发动机的马赫环。你还知道或希望哪些军事领域中的特有的物理现象,欢迎各位小伙伴留言讨论,也许下一次的文章就会从中选题哦!

最后给大家推荐一部有关本文内容的纪录片,《流言终结者》第七季中的——“子弹会拐弯”(第七集第十集),上B站就能看到(第120P哦~)。片中用真实战机测试了音爆的威力,不过并没有看到“音爆云”的出现,想想这是为什么呢?

参考资料:

空军之翼

果壳网

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