美国要研发超音速飞机,怎么解决“音爆”问题

来源:http://www.vokesadare.com 作者:关于皇冠 人气:109 发布时间:2019-09-16
摘要:美国将研发X超音速飞机,可消除“音爆” 2015年11月26日中午,成都的天空传来三声巨响,几乎全市的人都听到了。随之传来了各种猜测,不过并没有地面爆炸的迹象。最大的可能,看来

  美国将研发X超音速飞机,可消除“音爆”

2015年11月26日中午,成都的天空传来三声巨响,几乎全市的人都听到了。随之传来了各种猜测,不过并没有地面爆炸的迹象。最大的可能,看来还是音爆了。但音爆是个啥?

  听说了吗,美国航天局要开发一款新型超音速客机,将重点解决“音爆”问题。

1947年10月14日上午,美国西部鸟不拉屎的莫哈维沙漠。这是晴朗的一天,除了风吹过裸露的山丘外,只有几条响尾蛇懒懒的在沙地上画着S。突然,一声巨响,真正的晴天霹雳,大地为之颤抖;然后不知道从哪儿冒出来一群奇怪的人,他们欢呼雀跃,把帽子扔上了天。不久之后,一架有着炮弹般外形的橙色小飞机翩然降落在一座荒漠中的机场,从驾驶舱里钻出来一位英俊的小伙子,此人名叫耶格尔(C. Yeager),因为这一声巨响永留史册——他是第一个把声音抛在身后的人,刚刚驾驶贝尔X-1型飞机超过了音速。

  所谓音爆,就是当物体的运行速度超过音速之后,物体对空气的压缩因为无法迅速传播,会在迎风面积累形成激波面,激波面上的声学能量高度集中,反映到人的耳朵里,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。

图片 1查尔斯·E·耶格尔,第一个超过音速的人。图片来源:wired.com

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图片 3飞行中的X-1(原编号XS-1)。下面的图纸是第一次超音速飞行的数据记录纸带。图片来源:nasa.gov

  一架低空超音速飞行的飞机产生的音爆足以震碎门窗玻璃,甚至损坏不坚固的建筑物。因为音爆能量巨大,2003年,由法英联合研制的第一代超音速客机“协和式飞机”停飞,自此空中不再有超音速客机的身影。

那这声巨响从何而来?让我们把视线从天空转向水面。

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把一粒石子投入水中,水面便会出现一圈圈涟漪,这是石子扰动水面形成的波。再看看航行的船,船头激起了倒V字型的楔形波纹。在空气中运动的物体与水上行船相似,只不过二维的水面变成了三维的空间,任何在空气中运动的物体都会扰动空气形成波。

  这次美国航天局准备开发的超音速飞机,名为“X-飞机”,拟采用与“协和式飞机”相似的长尖机头和后掠机翼,长28.65米,翼展接近9米,装满燃料时的起飞重量不到1.5万千克,由通用电气公司的F414涡轮风扇发动机驱动,预计可在1.67万米高空以每小时超过1500公里的速度巡航,最高速度可达1.5倍音速,约合每小时1686公里。

这看起来没什么,但当物体运动的速度越来越快时,问题就出现了。空气中波的运动速度是有限的,也就是音速,当物体的速度达到音速时,它激起的那些波就被物体本身赶上了,堆积起来。换句话说,就是空气分子来不及逃开,被挤压在了一起。

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喜欢玩儿水的朋友肯定对这种场景有所体会,水是温柔无形的,不过你如果想玩一下十米跳台,那可要小心,如果玩的不甚熟练,不小心肚皮接触了水面,温柔的水同样可以把你“揍”的七晕八素,肚皮青紫。如果玩儿的更惊险,来个悬崖跳水,如果姿势不当,那跟跳楼没什么区别。如果你没有类似的体验,可以找个风和日丽的周末,或者碰巧赶上商场大减价的时候,去下西单。远远的你看到有个美女或帅哥,你想快点儿追上她/他,于是你加快了脚步,很快你就发现人流成了你的阻碍,行人躲开的速度实在有限,你心急如焚,甩开膀子疾走。快到一定程度,你就发现自己再也无力提速了,因为人流变成了人墙。

  “X-飞机”计划通过独特的造型,将冲击波发散出去,使噪音降低至75分贝,相当于“汽车关门声”大小。

当飞机的速度接近音速,情况与之类似:一堵空气墙横在前面。无奈上火的你多么希望自己变身绿巨人,轰隆一声把人撞得满天飞,哪怕胳膊上挂着七八个潮男靓女也阻挡不住你追求爱情的心——恭喜你,你悟到了超音速的真谛。只要动力足够充沛,结构足够结实,外形足够合理,被空气墙裹住的飞机便会超过音速。此时被压缩到极致的空气被穿透,产生了激波。

  美国航天局声称,如果进展顺利,将于2022年试飞。

激波是什么,很难详细解释,因为它涉及到“熵、信息、介质、场、紊流”等一系列玄而又玄的概念。你只需知道这激波可以造成压力的剧烈波动。这就是莫哈维沙漠上神秘巨响的来源,更通俗的名称叫做音爆。如果你有幸听过音爆,你会注意到它实际上是由紧邻的两声巨响组成的,这分别代表了空气被飞机前部撞开和空气在飞机尾部闭合形成的激波。当然,由于地面和建筑物的反射,那声音更像是打雷,绵延不绝。

  监  制:战 钊

图片 6一架美国海军航空兵蓝天使飞行表演队的F/A-18战斗机低空超音速掠过海面。超音速形成的激波引起空气压力的迅速变化,导致水气凝结,形成所谓P-G奇点效应(Prandtl–Glauert singularity)。同时,冲击波在海面上犁出了一条白浪。图片来源:NASA.gov

  科学顾问:傅前哨

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——所幸,飞行员自己不会被震到,因为飞得比声音快嘛。有一个未经证实的传说,上世纪五六十年代一家开在美国某空军基地附近的养鸡场老板曾经投诉过空军,因为他的上万只鸡都被耍酷的飞行员用音爆震死了。前不久的以巴加沙冲突期间,以色列空军也曾经多次夜间对加沙城实施音爆袭扰,有报道称震坏了350个门窗,造成了儿童的恐慌。

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