飞行器跳“龙门”


  音障是飞行器的“龙门”。
  飞行器的“龙门”
  2009年1月8日下午,在重庆某地的人们突然听到一声巨响,响声巨大,震耳欲聋,一霎时,大家都在询问究竟是那里传来的声音,谁也说不清这声音是从哪里来的,有人说是发生了地震,有人说是飞机坠毁,还有人说是大楼垮塌。政府部门否定了这些说法,但是他们也说不清是咋回事,他们的电话都被打爆了,也无法解释这声巨响从何而来。相互打听的人们不断地使用手机询问对方,以至于移动通讯的线路发生阻塞,致使问题更加严重,引起人们更多的好奇。
  类似的事情在别处也有发生,一声巨响,谁也不知道声音从何而来,谁也不知道发生了什么事情,然后就像什么事情也没有发生那样,又恢复了平静。其实,这不是什么大灾大难,这是飞机飞行速度过快造成的,当飞机飞行过快达到音速的时候,会发生音爆,音爆发生的时候,就是这种情况。
  长期以来,让飞机飞得更快,成为飞机研制者的重要课题。虽然飞机的速度越来越快,但是人们发现,飞机的速度似乎无法达到声音的传播速度。下雨天打雷的时候,闪电和雷声是同一时间发生的,但是我们会首先看到闪电,然后才能听到雷声,声音的传播速度是340米/秒,闪电过后一秒钟才能听到雷声,那就说明发生闪电的地方距离我们340米。
  飞机要想达到340米/秒的速度是很困难的,当飞行器要接近这个速度的时候,会遇到一系列困难。速度增快,飞行器遇到的大气阻力会迅速增加,导致飞行器的速度减缓,造成很严重的后果。首先,飞行器会颤抖的非常厉害,似乎进一步加速,飞行器就会散架。这让飞行员感到很恐惧,历史上曾多次发生飞机试图超越音速时解体或者失控坠毁的严重事故。声音的速度是一个无法越过的障碍,它被称之为“音障”。
  有一个故事,说的是一群小鲤鱼在向着河流的上游行近,但是一座大坝截留了河水,游不过去,如果谁能够跳起来,越过大坝,到了河流的上游,谁就可以成为龙,于是有了“鲤鱼跳龙门”的典故。对于飞行器来说,音障就是它们的“龙门”,似乎技术上不能越过声音的速度,这给航空技术专家很大的压力。但是,越过声音的速度是他们的目标。
  超音速飞机突破音障的瞬间。
  穿越“龙门”的奇迹
  1947年10月14日,在美国的莫哈韦沙漠,无数的人在翘首仰望,他们看到一架飞机,这是一架橙色的小型飞机,当大家看到它出现的时候,他们听到了一声巨响,这个声音让脚下的大地为之震颤,这声惊天动地的响声就是飞行器超越音速的时刻,这个时刻被称之为音爆。与猛烈的爆炸声一同出现的,还有音爆云,一团云雾弥漫在飞机的后部,看上去,飞机就像是刚从浓雾中冲出来一样。这就是第一架越过音障的飞行器,它经过了材料的加强和发动机的改造,可以承受得住越过音障的震颤。
  飞行器穿越音障的时候,由于机身对空气的压缩无法迅速传播,空气将逐渐在飞机的迎风面及其附近区域积累,最终,飞机附近的压强升高了,温度也升高了,空气的温度和密度都升高了,它们共同构成了激波,激波面将增加空气对飞行器的阻力,于是音爆就发生了。
  能够超越音速的飞机被称之为超音速飞机,每秒340米也就成为一个指标,被称为马赫,要说飞行器的速度有多快,都说它的速度是多少马赫。
  对于战斗机来说,它们的速度都很快,它们产生的音爆也就非常明显,当战斗机在海面上飞行的时候,由于空气中水份较多,会产生更大的音爆云,看上去十分壮观,就像是飞机穿上了超短裙。
  飞机在海面上突破音障瞬间。
  对于航天器来说,它们的速度就更快了,产生的音爆云也就该更大,更明显,但是,长期以来,航天器产生的音爆云从来没有被观察到,由于发射的时候,声音很大,也没有人听到它们产生的音爆。
  2009年10月,战神I-X火箭试飞发射的时候,摄像机拍摄到它突破音障瞬间的奇景。当它的速度达到一马赫的时候,空气中的水蒸气由于压强陡然增大,已经成为小水珠,聚集在火箭头部,修长的火箭头部,出现了一个怪怪的罩子,这就是音爆云,它呈现出蒸汽锥的样子。摄像机不仅拍摄到这个奇景,还观察到另一种景观。在火箭的前部,云层中出现明显的圆圈纹,就像是在水面上投入一块石子那样。
  战神I-X火箭突破音障的瞬间。
  “听不到”的飞行员
  突然来临的音爆常常给附近的居民带来极大地惊恐,尤其是飞行器作低空飞行的时候,声音就会更加猛烈,它产生的声音振动甚至可以把房屋上的玻璃震碎,还有人说它能把小鸡震死,甚至质量低劣的建筑都有可能坍塌。
  如此之大的破坏力,飞行员能受得了吗?其实,飞行员一点也感受不到,发生音爆的是飞行器的后部,此刻飞行员在飞机的前部,所以他是不知道的。音爆并不是持续不停地发生,它只存在一瞬间,片刻就会消失。随后,飞行器的速度会更快,声音的速度都赶不上飞行器飞行的速度,飞行员就更难以觉察了。在他座位的前面,仪表盘上会显示出一马赫这个数据,飞行员只能看着仪表盘上的这个数据知道音爆正在发生。

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