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战神火箭一身“仙气”是咋产生的?

2014-11-15 11:42未知评论:

  “战神1-X”火箭有一张酷炫到可以当桌面和头像的“写真”,这就是它在高空飞行时,一抹圆锥形的雾气,如新娘身上的纯白婚纱,套在“战神1-X”火箭身上。

  很多人好奇,这些白色的雾气是怎么产生的?其实,不光“战神1-X”火箭飞行时会产生这样的雾气,很多战斗机如“F-14D”雄猫喷气式战斗机,“F-22”猛禽战斗机,还有“FA-18”大黄蜂战斗机等等,这些战斗机在高速飞行时也会产生这样的雾气。

  通常,我们把战神火箭和战机产生的这种现象称为“音爆云”,更学术更准确的叫法是“普朗特-格劳厄脱凝结云”。

  这些如“仙气”一般缠绕在飞行器周围的雾气,它们到底是怎么产生的?对于这个问题,很多资料都有解读。然而,不少人,甚至某些文章,容易把音爆云同另一种现象相混淆,比如下图中这种:

  同样是战斗机,产生的现象也类似,但却是两种截然不同的物理现象,像战斗机穿白裙子的那张叫音爆云,而第二张,是超级大黄蜂战斗机做大转弯时,形成的涡流,即大黄蜂在转弯时,在机翼上方快速形成一个低压带,水蒸气在低压带里面凝结而成的缘故。

  大家常把涡流和音爆云混淆的一个原因是,它们常常同时发生。比如下面这张图:

  上图中,机翼两侧,很对称的白雾,就像 F-22“猛禽”新多出了一双翅膀,这属于音爆云现象。而猛禽尾部,两条细长的白雾,则属于涡流现象,通常叫翼尖涡流。(在前几期的“知道日报”中,这篇文章对其做了详细解释:飞机凭啥玩弄云?)

  那么,音爆云到底是怎么产生的呢?其实,对于这个现象,学术界还没有非常明确的定论,主流的看法是,这是飞行器跨越音速时产生的现象,跨越音速?怎讲?

  如神一般存在的爱因斯坦,其年轻的时候,就整天思考一些神问题:假如我追上了光的速度,会怎样?

  因为这想法,爱因斯坦创立了相对论,一举颠覆了人类的时空观。

  现在,咱们偷偷地模仿一下,假如追上了声音的速度,又会怎样?

  飞行器在空气中飞行时,会对空气造成一种扰动,就像你往平静的湖面扔一块石头产生涟漪一样。

  飞行器对空气的这种扰动,它在空气中的传播速度是声速,当飞行器的速度越来越高,达到声速时,那么显然,飞行器在空气中产生的扰动不会再远远地跑到飞行器的前面,而是在飞行器周围层层累积,形成激波。

  不难理解,大量的扰动累积在一起会对空气造成挤压,形成一个锥形的高压带,当这个高压带得到释放后,气压瞬间变低,这会带来温度的骤降,于是,在潮湿的空气里,出现水汽凝结现象,这就是我们看到的“普朗特-格劳厄脱凝结云”。

  只有在气候条件合适的时候,飞行器在跨越音速飞行时才会产生普朗特-格劳厄脱凝结云,但是另一种现象,只要是在大气层中飞行,则必然发生,这就是“音爆”。

  上文我们说,飞行器在空气中飞行时,会对空气造成一种扰动,这种扰动传到我们的耳朵里时,其实就是飞机轰隆隆的声音,也就是说,扰动以声波的形式传播。为什么我们不直接说声波?这是因为,当飞行器越来越快时,后来产生的扰动逐渐追上了之前产生的扰动,扰动叠加在一起,就形成了所谓的激波,激波跟声波就不一样了,激波是声学能量的高度集中面,传到我们的耳朵里时,不再是连续不断轰隆隆的声音,而是类似于枪声那样的爆炸声。

  名垂一时的超音速“协和”客机就是因为音爆扰人,遭到很多地方的政府和民众反对,结果,一些重要的航线迟迟得不到开通,导致运营不善,最终走向末路的。

  如今,在城市很难听到飞机产生的音爆,但是在野外的时候,如果头顶有飞机飞过,就有可能听到。小时候,笔者就听到过不少次,尽管飞机飞得很高,但声音依然很响,那时不解,大人解释,说这是飞机在空中放炮,实际上,这就是音爆。虽然现在听到飞机音爆的机会很少,但没关系,因为我们自己就可以制造出小音爆。

  影视中,大家常会看到野外一人骑马飞奔,同时传来清脆的马鞭声,啪!啪!

  这个马鞭声就是音爆声,原理是,鞭子在空中快速弯折时,鞭子末端的运动速度有可能超过声速。如果力气稍大,掌握技巧后,用一条湿毛巾,也可以造出音爆。

  刚才,我们对“普朗特-格劳厄脱凝结云”进行了解释,然而,这种现象极其复杂,确切的机制还没有完全弄清楚。

  有观点认为,产生“普朗特-格劳厄脱凝结云”不一定非得跨越音速,也就是说,就算飞行器没有跨越声速,普朗特-格劳厄脱凝结云也有可能会产生。这个观点来自一个工程科学和力学的教授M.S. Cramer。

  很多事实证明,他的观点是正确的,“B2隐形轰炸机”的巡航速度是0.85倍声速,最高速度是0.95倍声速(也就是0.95马赫),虽然B2没有超过声速,但它也产生了普朗特-格劳厄脱凝结云。

  对此,有一种解释是,就算飞行器的速度没有达到音速,但空气流过飞行器时,空气的流速也可能是音速,这是等效的。

  怎么理解呢,风洞大家都知道,就是把飞行器固定不动,然后让高速气流吹向飞行器,以试验飞行器的空气动力学。也就是说,飞行器在空气中高速飞行,和空气高速通过飞行器,效果是等效的。

  可是为何,飞行器速度低于音速,气流通过飞行器时,气流速度却能达到音速呢?一个原因是,这是飞机的形体决定的。

  从B2头部的形状可以看出,B2的机体,不光上面凸,下面也凸,于是,当水平气流吹向B2时,会产生,类似于水流从宽宽的河面突然进入两条窄窄的小河,导致水流速度突然大增一样的效果。

  以上,是我对“普朗特-格劳厄脱凝结云”形成原因的粗浅解释,由于本人能力有限,加上,学术界未能对这种现象盖棺定论,导致不能很好地说清楚,如有解释不恰当的地方,请多谅解。

  参考资料:

  1、http://web.archive.org/web/20041216141404/www.fluidmech.net/tutorials/sonic/prandtl-glauert-clouds.htm

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