音障
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突破音障第二次世界大战后期,战斗机的最大速度,已超过每小时700公里。
要进一步提高速度,就碰到所谓“音障”问题。
声音在空气中传播的速度,受空气温度的影响,数值是有变化的。
飞行高度不同,大气温度会随着高度而变化,因此当地音速也不同。
在国际标准大气情况下,海平面音速为每小时1227.6公里,在l1000米的高空,是每小时1065.6公里。
时速700多公里的飞机,迎面气流在流过机体表面的时候,由于表面各处的形状不同,局部时速可能出700公里大得多。
当飞机再飞快一些,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。
这种“音障”,曾使高速战斗机飞行员们深感迷惑。
每当他们的飞机接近音速时,飞机操纵上都产生奇特的反应,处置不当就会机毁人亡。
第二次世界大战后期,英国的“喷火”式战斗机和美国的“雷电”式战斗机,在接近音速的高速飞行时,最早感觉到空气的压缩性效应。
也就是说,在高速飞行的飞机前部。
由于局部激波的产生,空气受到压缩,阻力急剧增加。
“喷火”式飞机用最大功率俯冲时,速度可达音速的十分之九。
这样快的速度,已足以使飞机感受到空气的压缩效应。
为了更好地表达飞行速度接近或超过当地音速的程度,科学家采用了一个反映飞行速度的重要参数:马赫数。
它是飞行速度与当地音速的比值,简称M数。
M数是以奥地利物理学家伊·马赫的姓氏命名的。
马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验,最早发现扰动源在超音速气流中产生的波阵面,即马赫波的存在。
M数小于1,表示飞行速度小于音速,是亚音速飞行;M数等于1,表示飞行速度与音速相等;M 数大于 1,表示飞行速度大于音速,是超音速飞行。
第二次世界大战后期,飞行速度达到了650-750公里/小时的战升机,已经接近活塞式飞机飞行速度的极限。
例如美国的P-5lD“野马”式战斗机,最大速度每小时765公里,大概是用螺旋桨推进的活塞式战升机中,飞得最快的了。
若要进一步提高飞行速度,必须增加发动机推力但是活塞式发动机已经无能为力。
什么是音爆云“音爆云”,这种云只能在特定的天气条件下才会出现,而且这些由水汽组成的晕轮只能持续几秒钟。
当飞行器的速度达到音速上下(1193公里/小时)时,就会冷却周围的空气,从而使空气中的水汽凝结成云。
但它并不总是伴随着音爆现象的产生,同时也不是音障被突破时所产生的冲击波。
音障是历史上(主要是第二次世界大战期间)对飞行器尝试跨越声速飞行遇到困难的称呼。
这一说法在1950年代以后随着跨声速飞行的广泛实现已渐不多见。
当物体(通常是航空器)的速度接近音速时,将会逐渐追上自己发出的声波。
此时,由于机身对空气的压缩无法迅速传播,将逐渐在飞机的迎风面及其附近区 域积累,最终形成空气中压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面--激波(或称震波,Shock Wave)面。
激波的形成是超音速飞行的典型特征。
激波面将增加空气对飞行器的阻力,这种因为音速造成提升速度的障碍被俗称为音障。
另外,在早期飞机的设 计中,由于对跨音速空气动力学了解尚少,所以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,有人把这一时期困扰飞机制造业的难题也称为“音 障”。
事实上,音障一词的名声大噪更多地来自于媒体的炒作及大众的误解,而非更加深刻的物理实质。
飞行器进入超音速飞行形成的激波面,是声学能量的高度集中面,所以又称音锥。
音锥在听觉上是一声短暂而极其强烈(可能超越人耳的听觉)的爆炸声,故 称为音爆或声爆(Sonic Boom)。
强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害,也会给飞行器本身跨越冲击面的部分造成巨大的压力,所以各国一般都禁止超音速飞机在住宅区上空突破音 速。
除此之外,跨音速飞行常常伴随的一个效应称为普朗特-格劳厄脱凝结云(Prandtl-Glauert condensation clouds),表现为以飞机为中心轴、从机翼前段开始向四周均匀扩散的圆锥状云团。
这是由于激波面后方以气压降低导致温度的降低,引起水气凝结导致的。
飞机是如何超音速的作者:解白来源:《中学生百科·成长》2013年第07期很多记录都是在军事研究中被突破的,飞机的速度也一样。
第二次世界大战期间,德军战斗机一看见美军的“野马”战斗机就扭头溜走。
美军决心让他们永远溜不走,想要追上他们,就必须要突破当时飞机制造的一个无人逾越的难题——“音障”。
“音障”是对飞行器尝试跨越音速飞行遇到困难的称呼。
想要让飞机突破音障,超越音速并非易事,而且十分危险。
测试空中速度时往往会以马赫为单位,1马赫等于1倍音速。
当飞机试图接近1马赫时会出现奇怪的状况:飞行器追上了自己发出的声波,而高速的机身对空气的压缩没有办法更快地传播出去,就会导致压缩的空气在飞机的迎风面和附近积累,最终形成一个空气的突变面,在这个突变面上,压强、温度、速度、密度都发生了巨大的改变,我们又称为激波或者震波。
激波的形成是超音速飞行的典型特征,它将增加空气对飞行器的阻力,这也是“音障”一词的由来:音速对飞机提升速度造成的障碍。
早期的飞机设计师并没有考虑到这个问题,他们给飞机上了大量的燃料,试图强行超越音速。
这些普通的、没有特别防御装置的飞机加速到接近1马赫时,前方的压力累积,导致飞机像撞上了一道坚硬的墙,这种高速的撞击很可能导致飞机解体陨落。
1947年6月,加利福尼亚州的空军基地签收了一架非常特别的试验机,贝尔X-S1。
字母“X”代表未知的试验,字母“S”代表超音速。
这架飞机的研究资金高达600万美元,对外高度保密。
橘色机身呈子弹形状,有四枚绰号为“黑色贝特西”的火箭推动。
贝尔X-S1的机翼具有锋利的前缘,以便于在接近音速时突破音障,这种机翼有一个绰号,称为“吉列机翼”,意指它能锋利地划开空气墙。
贝尔X-S1很快就被改名为X-1,因为试验的高级官员不想让外界得知挑战超音速的事实。
他们开始寻找志愿者试飞X-1,最终选定了23岁的查尔斯·叶格尔。
叶格尔和作为候补的胡佛只有上尉军衔,谁都不看好他们。
音爆是什么意思
当物体接近音速时,会有一股强大的阻力,使物体产生强烈的振荡,速度衰减。
这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。
突破音障时,由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播,逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面,在激波面上声学能量高度集中。
这些能量传到人们耳朵里时,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声,称为音爆。
“音爆”只有在飞机作超音速飞行时才会出现。
飞机在超音速飞行时产生的强压力波,传到地面上形成如同雷鸣的爆炸声。
在突破音障时伴随的一个奇特现象便是“音爆云”,这是由于在
激波面后方由于气压降低而引起温度降低,水气凝结形成微小的水珠,看上去就像云雾一般。
飞机螺旋桨在发动机驱动下高速旋转,从而产生拉力,牵拉飞机向前飞行。
这是人们的常识。
可是,有人认为螺旋桨的拉力是由于螺旋桨旋转时桨叶把前面的空气吸入并向后排,用气流的反作用力拉动飞机向前飞行的,这种认识是不对的。
那么,飞机的螺旋桨是怎样产生拉力的呢?如果大家仔细观察,会看到飞机的螺旋桨结构很特殊,如图1所示,单支桨叶为细长而又带有扭角的翼形叶片,桨叶的扭角(桨叶角)相当于飞机机翼的迎角,但桨叶角为桨尖与旋转平面呈平行逐步向桨根变化的扭角。
<palign=\"center\"></p><p align=\"center\">图1 双桨叶螺旋桨</p><p align=\"left\">桨叶的剖面形状与机翼的剖面形状很相似,前桨面相当于机翼的上翼面,曲率较大,后桨面则相当于下翼面,曲率近乎平直,每支桨叶的前缘与发动机输出轴旋转方向一致,所以,飞机螺旋桨相当于一对竖直安装的机翼。
</p><palign=\"center\"></p><p align=\"center\">图2 螺旋桨的工作示意图</p><p align=\"left\">桨叶在高速旋转时,同时产生两个力,一个是牵拉桨叶向前的空气动力,一个是由桨叶扭角向后推动空气产生的反作用力。
</p><palign=\"center\"></p><p align=\"center\">图3 桨叶剖面图</p><p align=\"left\">从桨叶剖面图中可以看出桨叶的空气动力是如何产生的,由于前桨面与后桨面的曲率不一样,在桨叶旋转时,气流对曲率大的前桨面压力小,而对曲线近于平直的后桨面压力大,因此形成了前后桨面的压力差,从而产生一个向前拉桨叶的空气动力,这个力就是牵拉飞机向前飞行的动力。
跑在声音的前面飞行原理与战斗机的划代(3)跑在声音的前面飞行原理与战斗机的划代(3)为什么说超“音”速自从人类发明飞机以来,总是希望它能飞得更快。
但是,飞得越快,空气给飞机的阻力也就越大。
在飞行速度较低的情况下,阻力的大小和速度的平方成正比(这和升力的情况类似)。
但在飞机速度增大到接近声音的速度时,阻力就会和速度的五次方成正比。
如果速度超过音速,会出现一种特殊的阻力——波阻,即激波阻力,阻力增加得更快。
例如,将一块1米见方的平板插在自行车上,以13千米/小时的速度向前,平板上的阻力只有10牛;将这块平板插在时速41千米/小时的卡车上,板上的阻力将增加到100牛,如果将它插在时速1300千米/小时的超音速飞机上,平板上的阻力高达100千牛以上。
由此可见,速度的增减对于阻力的变化所引起的作用非常巨大,为了飞得更快,人类要利用智慧克服更多的阻力。
那么,为什么是超音速飞机而不是普通的低速飞机产生波阻呢?为什么形容飞机快,说其速度是超音速,而不是超其它速度呢? 飞机或者其它物体在空气中运动时,也会压缩前面的空气,使临近空气发生膨胀和压缩,形成疏密波。
由于音速是空气可压缩程度的量度,所以,音速越大,空气越难被压缩。
同时,飞机的飞行速度越大,飞机加给空气的压力就越大,空气被压缩得越厉害。
由此可见,空气被压缩的程度,与音速成反比,与飞机飞行速度成正比。
衡量空气被压缩程度的大小,可以把两个因素结合起来,它们的比值称为马赫数(M)。
马赫数越大,飞机前面的空气被压缩得越厉害,对空气动力特性的影响就越大。
一般认为,当马赫数小于0.5时,即飞机作低速飞行时,空气压缩性影响不大,可以把空气密度看作是不变的:当马赫数大于0.5时,就要考虑空气的压缩特性,从而增加了研究高速飞行时的复杂性。
高速飞行的阻力墙激波阻力20世纪30年代后期,活塞发动机螺旋桨式飞机的速度,几乎已经达到这种飞机的极限,平飞时700多千米,小时,俯冲时在重力的作用下有加速效果会接近音速。
飞行器音障波临界频率的AQP机制发布时间:2022-05-07T02:54:55.464Z 来源:《科技新时代》2022年2期作者: 1于丽 2黄天明3赵立武[导读] 超-高超声速飞行器进动中,在超声速瞬间,音爆戛止,能量波消失了吗?高超声速飞行器莫名失控原因何在?超声速飞行器航控频率黑障&音障发生机制?超声速中驾驶员瞬间至幻-失忆的成因?材料疲劳&程度&痕迹的机制?《应用量子物理学》(AQP)[2]六项重大科学发现[4],在数学[8]&物理-材料学[6]基础理论[3]上的突破,由量子密码&量子模型[5]跨学科实现解决方法。
1于丽 2黄天明3赵立武中国广东省惠州市大亚湾区AQP课题组516000摘要:超-高超声速飞行器进动中,在超声速瞬间,音爆戛止,能量波消失了吗?高超声速飞行器莫名失控原因何在?超声速飞行器航控频率黑障&音障发生机制?超声速中驾驶员瞬间至幻-失忆的成因?材料疲劳&程度&痕迹的机制?《应用量子物理学》(AQP)[2]六项重大科学发现[4],在数学[8]&物理-材料学[6]基础理论[3]上的突破,由量子密码&量子模型[5]跨学科实现解决方法。
关键词:音障波;能量波多普勒效应递增;材料结合能量子密码;音障波至幻;临界频率自激;临界频率幽灵计算跟踪;音爆;黑障;临界频率幽灵;前音障;后音障;衔体飞行器;融体飞行器;一进动中飞行器能量波多普勒效应递增进动中飞行器质量M在速度A递增为超声速A超中,进动动量E随着A→A超后,E(多普勒效应)递增为能量E超:E→E超;E=MA;E 超=M(A超)2;A超≯C(光速)。
E超=刀M1/2;临界恒量:刀=1.812188×10-15m.kg.s;刀,是恒量(刀:中文;发音dao)[1]。
以飞行器进动质点K形成自身量子自洽场多壳层[4](多能级)结构场。
量子密码:(z↑E1飞)→(z↑E1壳层)+(z↑E2壳层)+(z↑E3壳层)+……+(z↑E8壳层);二音障&黑障等一系列音障波负影响机制2.1音障:音障波多普勒效应递增为超声波:飞行器在速度A→A超后,声波由音爆多普勒效应递增为超声波,音爆戛然而止既音障。
书山有路勤为径;学海无涯苦作舟
什么是音障、热障和漩涡?
1、音障
音障是飞机的飞行速度接近音速时,进一步提高速度所遇到的障碍。
空
气是可以压缩的。
飞机在飞行过程中,不断对空气产生新的扰动,这些扰动引起的压强变化会在飞机前方积累,从而导致空气密度发生变化。
密度增加的幅度在不同的飞行速度下是不同的。
在0.3倍音速以下,它的增加约在5%左右,因此可忽略不计。
当速度进一步提高以至于接近音速时,由于飞机对前方空气扰动导致的压强变化会层层积累,于是在飞机前面,空气密度会急剧增大。
而当飞机以音速飞行时,由于扰动的传播与飞机运动速度相同,这样每一个扰动相对飞机来说就不再向前传播,而是依次叠加在飞机头部,造成扰动波的集中,形成一个波面。
这时飞机与前面的空气骤然相遇,引起剧烈的碰撞,空气遭到强烈的压缩,密度急剧增大,仿佛一面致密的空气墙壁挡在飞机的面前。
这就是所谓的激波。
空气在通过激波时,会产生一种特别的阻力,即激波阻力。
飞行速度在音速附近时,激波阻力最大,它可能消耗发动机全部功率的
3/4,这时再提高飞行速度就十分困难。
当飞机超过音速时,这些阻力便
会大大衰减。
为了突破音障,人们采取了后掠翼、面积律等先进的气动布局;同时喷气发动机的改进也获得了更大的推力。
1947年,美国的X-1火箭飞机首次实现了超音速飞行。
20世纪50年代初,美国、前苏联、英国等研制出了实用超音速战斗机。
专注下一代成长,为了孩子。
突破音障第二次世界大战后期,战斗机的最大速度,已超过每小时700公里。
要进一步提高速度,就碰到所谓“音障”问题。
声音在空气中传播的速度,受空气温度的影响,数值是有变化的。
飞行高度不同,大气温度会随着高度而变化,因此当地音速也不同。
在国际标准大气情况下,海平面音速为每小时1227.6公里,在11000米的高空,是每小时1065.6公里。
时速700多公里的飞机,迎面气流在流过机体表面的时候,由于表面各处的形状不同,局部时速可能出700公里大得多。
当飞机再飞快一些,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。
这种“音障”,曾使高速战斗机飞行员们深感迷惑。
每当他们的飞机接近音速时,飞机操纵上都产生奇特的反应,处置不当就会机毁人亡。
第二次世界大战后期,英国的“喷火”式战斗机和美国的“雷电”式战斗机,在接近音速的高速飞行时,最早感觉到空气的压缩性效应。
也就是说,在高速飞行的飞机前部。
由于局部激波的产生,空气受到压缩,阻力急剧增加。
“喷火”式飞机用最大功率俯冲时,速度可达音速的十分之九。
这样快的速度,已足以使飞机感受到空气的压缩效应。
为了更好地表达飞行速度接近或超过当地音速的程度,科学家采用了一个反映飞行速度的重要参数:马赫数。
它是飞行速度与当地音速的比值,简称M数。
M数是以奥地利物理学家伊·马赫的姓氏命名的。
马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验,最早发现扰动源在超音速气流中产生的波阵面,即马赫波的存在。
M数小于1,表示飞行速度小于音速,是亚音速飞行;M数等于1,表示飞行速度与音速相等;M数大于1,表示飞行速度大于音速,是超音速飞行。
第二次世界大战后期,飞行速度达到了650-750公里/小时的战升机,已经接近活塞式飞机飞行速度的极限。
例如美国的P-5lD“野马”式战斗机,最大速度每小时765公里,大概是用螺旋桨推进的活塞式战升机中,飞得最快的了。
若要进一步提高飞行速度,必须增加发动机推力但是活塞式发动机已经无能为力。
知识普及:飞行器的“三障”之一“音障”人类在探索飞行器的过程中,曾遇上三个拦路虎,就是人们常说的“三障”,即“音障”、“热障”和“黑障”。
所谓“障”就是在技术上遇到的障碍。
自美国人莱特兄弟1903年发明飞机以后,人们逐渐认识到航空技术将对人类的未来产生巨大影响。
因此,一些国家不惜投入大量人力物力,对航空技术进行探索和开发。
这期间有无数航空先驱者不惜牺牲自己的生命换来了一个又一个技术进步,使航空技术纪录一再打破,才形成了今天的航空技术水平。
在整个航空技术发展中,突破“音障”是一项重大的技术进步。
第二次世界大战期间,活塞式发动机、螺旋桨飞机的速度已经发展到顶峰。
但由于技术上的需要,还要把速度再提高,因为当时的空战主要是以机炮和机枪作为空战武器,谁的速度快,谁就能抢到有利空域赢得胜利。
所以当时的飞机设计师和飞行员一再努力追求飞行速度。
美国飞行员耶格尔驾驶时速700多千米的“野马”式战斗机与德国飞机作战时,还感到速度低,所以他经常采用先把战机拉高,然后俯冲,借助重力加速度提高飞机速度的战术与敌机作战。
可是当飞机出现800千米/时的速度时,飞机便产生了失控的感觉。
飞机震动得特别厉害,难以驾驭。
后来人们认识到,当飞机速度超过800千米/时,空气会产生一种“压缩效应”。
这种效应会使机头前部的空气被压缩成密度很高的“空气墙”,使飞机难以逾越。
产生这种现象时,飞机刚好接近于音速,后来人们管这种现象叫“音障”。
很多人试图突破“音障”,但当时受技术条件限制,都没能成功。
著名的英国飞行员德哈维兰在1946年9月27日驾驶D·11·108试验飞机作飞行试验。
当飞行速度达到0.815马赫时,由于飞机产生强烈震颤造成空中解体,付出了机毁人亡的代价。
虽然经过多次试图突破“音障”都没有成功,但通过实践人们认识到“音障”形成的原因,也初步设想出突破“音障”的方法。
直到1947年美国做了一架向“音障”冲刺的试验飞机—X-1飞机。
流畅的说话,自由地交谈,甚至是与人争执的脸红脖子粗。
这都是我们所经历过的事,所以在我们看来这都是习以为常的事,并不觉得有什么稀奇。
然而,对于功能性构音障碍的儿童来说,能够流利、准确的说话发音已经是需要花费太大精力去做的事了。
其他什么辩论、演讲,在他们身上,更像是一种奢望。
功能性构音障碍是指构音错误呈固定状态,但找不到明显原因的构音障碍。
功能性构音障碍又称发育性勾引障碍是指发音错误的表现为固定状态,但无明显原因且构音器官无形态异常和运动功能异常。
光从舌头、嘴唇、口腔、软腭、硬腭、声带来检查,很难发现有问题,但就是不正常正常说话表达,这就是功能性构音障。
对于功能性构音障碍发生的原因,目前医学界尚无统一观点和论据来支撑,但我们可以知道的是,功能性构音障碍多数是出现于学龄前儿童。
依靠现有的资料,小编来给大家说说导致儿童出现功能性构音障碍的原因都有哪些。
1.一般认为是幼儿在学习发音的过程中因某种原因学会了错误的构音动作,而且这种构音动作成为了习惯,在这种情况下,多数幼儿不会注意到自己的发音错误;2.很大程度上与儿童语音的听觉接受,辨别、认知因素有关。
而且,家长一定要从孩子平时的表现中分析是否有这方面的特点:1、口鼻腔的共鸣异常(1)过高鼻音:发非鼻音性语音时,鼻腔参与了共鸣,引起口腔鼻腔同时共振,鼻音浓重,语音清晰度低。
(2)鼻漏气:发辅音声母音中的爆破音、摩擦音时气流从鼻腔泄出,语音清晰度低。
2、发音器官构音异常构音是唇、舌、腭、咽等构音器官通过摩擦或阻断气流等运动,发出各种语音的功能。
发音器官构音异常是指构音器官完全正常,而由于构音器官的异常运动、构音方法不正确造成的语音缺陷。
主要表现为以下两种类型:(1)辅音声母替代发音舌后置替代:以舌根音g、k、h替代舌前位音,如“多少duo shao”说成“锅好guo hao”、“山水shan shui”说成“甘轨gan gui”等;舌前置替代:以舌尖音d、t替代舌后位音,如“高兴gao xing”说成“刀兴dao xing”、“考试kao shi”说成“讨试tao shi”等;送气音替代:以送气音p、t、k、q等替代不送气音,如“书包shu bao”说成“出抛chu pao”、“肚子du zi”说成“兔子tu zi”等;不送气音替代:以不送气音b、d、j 等替代送气音,如“明天ming tian”说成“明颠ming dian”、“期望qi wang”说成“机望ji wang”等;(2)音节省略发音声母省略:这种症状多由于口腔压力不足,致使音节中的辅音声母部分有的勉强发出,有的不能发出,易出现残缺的声母有p、t、k、q、c、ch等,例如,发“ka”听到的音是“a”;发“qi”听到的音是“i”。
如何突破音障?将的详细点2008-10-12 20:53提问者:不超过50个汉字|浏览次数:1124次2008-10-12 21:22最佳答案百科很详细。
/view/43771.htm音障现象音障是一种物理现象,当物体(通常是航空器)的速度接近音速时,将会逐渐追上自己发出的声波。
声波叠合累积的结果,会造成震波(Shock Wave)的产生,进而对飞行器的加速产生障碍,而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障。
突破音障进入超音速后,从航空器最前端起会产生一股圆锥形的音锥,在旁观者听来这股震波有如爆炸一般,故称为音爆或声爆(Sonic Boom)。
强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害,对于飞行器本身伸出冲击面之外部分也会产生破坏。
除此之外,由于在物体的速度快要接近音速时,周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态,因此一旦物体穿越音障后,周围压力将会陡降。
在比较潮湿的天气,有时陡降的压力所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的露点(Dew Point)温度,使得水汽凝结变成微小的水珠,肉眼看来就像是云雾般的状态。
但由于这个低压带会随着空气离机身的距离增加而恢复到常压,因此整体看来形状像是一个以物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团。
编辑本段飞机音障共振瞬间人们在实践中发现,在飞行速度达到音速的十分之九,即马赫数MO.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。
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。
音障音障是指飞行器速度接近音速时,会追上自己发出的声波造成震波,进而对加速产生障碍的现象。
进入超音速后,航空器前端起会产生一股圆锥形的音锥,在旁观者听来有如爆炸一般,称为音爆或声爆。
音障现象音障是一种物理现象,当物体(通常是航空器)的速度接近音速时,将会逐渐追上自音障己发出的声波。
声波叠合累积的结果,会造成震波(Shock Wave)的产生,进而对飞行器的加速产生障碍,而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障。
突破音障进入超音速后,从航空器最前端起会产生一股圆锥形的音锥,在旁观者听来这股震波有如爆炸一般,故称为音爆或声爆(Sonic Boom)。
强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害,对于飞行器本身伸出冲击面之外部分也会产生破坏。
除此之外,由于在物体的速度快要接近音速时,周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态,因此一旦物体穿越音障后,周围压力将会陡降。
在比较潮湿的天气,有时陡降的压力所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的露点(Dew Point),使得水汽凝结变成微小的水珠,肉眼看来就像是云雾般的状态。
但由于这个低压带会随着空气离机身的距离增加而恢复到常压,因此整体看来形状像是一个以物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团。
飞机音障共振瞬间人们在实践中发现,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,机身会突超音速然自动上仰。
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。
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。
一个以超音速前进的物体,会持续在其前方产生稳定的压力波(弓形震波)。
当物体朝观察者前进时,观察者不会听到声音;物体通过后,所产生的波(马赫波)朝向地面传来,波间的压力差会形成可听见的效应,也就是音爆.当飞机的飞行速度比音速低时,同飞机接触的空气好像“通信员”似的,以传递声音的速度向前“通知”前面即将遭遇飞机的空气,使它们“让路”。
但当飞机的速度超过音速时,飞机前面的空气因来不及躲避而被紧密地压缩在一起,堆聚成一层薄薄的波面——激波,激波后面,空气因被压缩,使压强突然升高,阻止了飞机的进一步加速,并可能使机翼和尾翼剧烈振颤而发生爆炸。
而音障不单单仅有声波,还有来自空气的阻力,当飞行物体要接近1马赫(声速单位)飞行时,前方急速冲来的空气不能够像平常一样通过机身扩散开,于是气体都堆积到了飞行体的周围,产生极大的压力,也会引发出一种看不见的空气旋涡,俗称“死亡漩涡”这也被叫做音障,如果机身不作特殊加固处理,那么将会被瞬间摇成碎片。
音障的解释物体与流体发生相对运动时,会对流体产生扰动。
下面,以飞机与大气的扰动为例,当飞机引起大气的扰动之后,这个扰动将以波的形式向空间传播。
理想的形式为球面波。
但根据相对运动原理,在1时刻飞机在地点1引起球面波1,相对运动之后飞机以v的速度前行,球面波以u的速度扩散,在2时刻飞机在地点2引起球面波2,两者速度不变。
如此积累,因为飞机始终在向前,则若干波的叠加后形状。
以上是飞机匀速飞行的情况,若飞机加速,则情况更加明显。
如果飞机速度没有超音速,即v<u,则波始终在飞机之前。
但当v=u时,则飞机与波开始保持静止。
飞机继续加速,v>u时,第一次引起的扰动波将与以后引起的扰动波叠加,并始终处于飞机前部不远处。
这个不断叠加的波就是我们通常所谓的激波了。
音障现象是一个统计结果。
如果仅仅是因为在音速附近,所以出现音障现象,那么飞机整体均应出现音障现象,因为飞机整体是一个速度。
如果说音障造成了液化,那么整个飞机都应在液化环境中。
所以用音障来介绍飞机周围的液化现象是不合适的。
尽管在音速的时候出现了空气液化的情况,液化应该从其自身的产生条件来考虑。
当湿度大的空气受到压缩时,空气中的水就会液化。
当飞机速度很高的时候,将在迎风面形成高压,高压下空气中水汽沸点升高,就会出现液化现象。
这也可以解释为什么飞机后半部分没有雾的现象。
因为飞机后部压力低,甚至出现负压,即使前方的水颗粒进入该区域,也会汽化而看不出来。
关于飞机周围压力变化,可以看做飞机不动,空气吹飞机,迎风面会出现高压,背部负压,这在流体力学里面是有结果的。
接近音障第二次世界大战后期,战斗机的最大速度,已超过每小时700公里。
要进一步提高速度,战斗机就碰到所谓“音障”问题。
声音在空气中传播的速度,受空气温度的影响,数值是有变化的。
飞行高度不同,大气温度会随着高度而变化,因此音速也不同。
在国际标准大气情况下,海平面音速为每小时1227.6公里,在11000米的高空,是每小时1065.6公里。
时速700多公里的飞机,迎面气流在流过机体表面的时候,由于表面各处的形状不同,局部时速可能出700公里大得多。
当飞机再飞快一些,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。
这种“音障”,曾使高速战斗机飞行员们深感迷惑。
每当他们的飞机接近音速时,飞机操纵上都产生奇特的反应,处置不当就会机毁人亡。
第二次世界大战后期,英国的喷火式战斗机和美国的“雷电”式战斗机,在接近音速的高速飞行时,最早感觉到空气的压缩性效应。
也就是说,在高速飞行的飞机前部,由于局部激波的产生,空气受到压缩,阻力急剧增加。
“喷火”式飞机用最大功率俯冲时,速度可达音速的十分之九。
这样快的速度,已足以使飞机感受到空气的压缩效应。
为了更好地表达飞行速度接近或超过当地音速的程度,科学家采用了一个反映飞行速度的重要参数:马赫数。
它是飞行速度与当地音速的比值,简称M数。
M数是以奥地利物理学家伊·马赫的姓氏命名的。
马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验,最早发现扰动源在超音速气流中产生的波阵面,即马赫波的存在。
M 数小于1,表示飞行速度小于音速,是亚音速飞行;M数等于1,表示飞行速度与音速相等;M数大于1,表示飞行速度大于音速,是超音速飞行。
喷火式战斗机第二次世界大战后期,飞行速度达到了650-750公里/小时的战斗机,已经接近活塞式飞机飞行速度的极限。
例如美国的P-5lD“野马”式战斗机,最大速度每小时765公里,大概是用螺旋桨推进的活塞式战斗机中,飞得最快的了。
若要进一步提高飞行速度,必须增加发动机推力但是活塞式发动机已经无能为力。
航空科学家们认识到,要向音速冲击,必须使用全新的航空发动机,也就是喷气式发动机。
早期的尝试二战末期,德国研制成功Me-163和Me-262新型战斗机,投入了苏德前线作战。
这两种都是当时一般人从未见过的喷气式战斗机,具有后掠形机翼。
前者装有1台液体燃料火箭发动机,速度为933公里/小时;后者装2台涡轮喷气发动机,最大速度870公里/小时,是世界上第一种实战喷气式战斗机。
它们的速度虽然显著超过对手的活塞式战斗机,但是由于数量稀少,又不够灵活,它们的参战,对挽救法西斯德国失败的命运,实际上没有起什么作用。
涡轮喷气发动机德国喷气式飞机的出现,促使前反法西斯各国加快了研制本国喷气式战斗机的步伐。
英国的“流星”式战斗机很快也飞上蓝天,苏联的著名飞机设计局,例如米高扬、拉沃奇金、苏霍伊和雅科夫列夫等飞机设计局,都相继着手研制能与德国新式战斗机相匹敌的飞机。
米格设计局研制出了伊-250试验型高速战斗机(米格-13),它采用复合动力装置,由一台活塞式发动机和一台冲压喷气发动机组成。
在高度7000米时,这种发动机产生的总功率为2800马力,可使飞行速度达到825公里/小时。
1945年3月3日,试飞员杰耶夫驾驶伊-250完成了首飞。
伊250在苏联战斗机中,是飞行速度率先达到825公里/小时的第一种飞机。
它进行了小批量生产。
苏霍伊设计局研制出苏-5试验型截击机,也采用了复合动力装置。
1945年4月,苏-5速度达到800公里/小时。
另一种型号苏-7,除活塞式发动机外,还加装了液体火箭加速器(推力300公斤),可短时间提高飞行速度。
拉沃奇金和雅科夫列夫设计的战斗机,也安装了液体火箭加速器。
但是,用液体火箭加速器来提高飞行速度的办法并不可靠,其燃料和氧化剂仅够使用几分钟;而且具有腐蚀性的硝酸氧化剂,使用起来也十分麻烦,甚至会发生发动机爆炸事故。
试飞员拉斯托尔古耶夫,就在一次火箭助推加速器爆炸事故中以身殉职。
在这种情况下,苏联航空界中止了液体火箭加速器在飞机上的使用,全力发展涡轮喷气发动机。
涡轮喷气发动机的研制成功,冲破了活塞式发动机和螺旋浆给飞机速度带来的限制。
不过,尽管有了新型的动力装置,在向音速迈进的道路上,也是障碍重重。
当时,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MO.9空中时速约950公里时,出现的局部激波会使阻力迅速增大。
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。
空气动力学家和飞机设计师们密切合作。
进行了一系列飞行试验,结果表明:要进一步提高飞行速度,飞机必须采用新的空气动力外形,例如后掠形机翼要设法减薄。
前苏联中央茹科夫斯基流体动力研究所的专家们,曾对后掠翼和后掠翼飞机的配置型式,进行了大量的理论研究和风洞试验。
由奥斯托斯拉夫斯基领导进行的试验中,曾用飞机在高空投放装有固体火箭加速器的模型小飞机。
模型从飞机上投下后,在滑翔下落过程中,火箭加速器点火,使模型飞机的速度超过音速。
专家们据此探索超音速飞行的规律性。
苏联飞行研究所还进行了一系列研究,了解在空气可压缩性和气动弹性作用增大下,高速飞机所具有的空气动力特性。
这些基础研究,对超音速飞机的诞生,都起到了重要作用。
突破音障美国对超音速飞机的研究,主要集中在贝尔X-1型“空中火箭”式超音速火箭动力研究机上。
研制X-l最初的意图,是想制造出一架飞行速度略微超过音速的飞机。
X-l飞机的翼型很薄,没有后掠角。
它采用液体火箭发动机做动力。
由于飞机上所能携带的火箭燃料数量有限,火箭发动机工作的时间很短,因此不能用X-1自己的动力从跑道上起飞,而需要把它挂在一架B-29型“超级堡垒”重型轰炸机的机身下,升入天空。
飞行员在升空之前.已经在X-l的座舱内坐好。
轰炸机飞到高空后,象投炸弹那样,把X-l投放开去。