空气动力学资料

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。 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。

摄影师斯科特-安德鲁斯在“战神1-X”火箭点火升空39秒钟后，捕捉到火箭突破音障瞬间的照片。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。空气中的水蒸气，因压力陡降所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的露点温度，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。

所谓 突破音障 就是，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，也就是突破音障。

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，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vu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。

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，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。

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。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。

飞机的抖动在突破音障后消失，超音速后，有一段时间增速反而快。突破音障后，由于气动中心后移，飞机会突然低头，早先的飞机需要飞行员使劲拉杆，现在有了电传操纵，飞行员基本不用费劲了。

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

音爆云图片欣赏(20张)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，所以又称音锥音爆云

。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。 水气凝结变成微小的水珠后，肉眼看来就像是云雾般的状态。这个低压带会随着离机身的距离增加而迅速消失。值得一提的是，普朗特-格劳厄脱凝结云并非只能在 跨音速飞行中看到，与激波也没有必然的联系，它仅仅表征了空气具有一定的可压缩性。在合适的条件下，尚未接近音速的飞机也能在自己周围产生普朗特-格劳厄 脱凝结云。

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