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科普图片答疑—音障与尾涡
作者:徐邦年浦群     时间:2010-3-29     点击率:29218


编者按语:浦群教授接到读者提问后,认真做了回答。关于声障问题,她查了大百科全书的力学卷,并做了回答。关于飞机后部的圆锥形云雾的形成原理,她又请教她的大学同学空军指挥学院的教授、现中科院讲演团成员徐邦年先生。徐先生又给我们做了精准的回答。对于浦群教授对我们“力学园地”的支持,以及回答读者提问的认真态度,我们编辑部同仁深受感动和鼓舞。只要我们有这种热诚、认真的态度和精神,“力学园地”一定会越办越好。

读者提问:

编辑同志∶
  这期《力学园地》刊载了几幅精美的图片。能不能请专家解释一下什么是“音障”?那些图片中飞机机身周围出现的云雾是怎么形成的?
                                     读者“天鱼儿”
专家答疑:

1、声障(sonic barrier)又称音障。大展弦比的直机翼飞机,在飞行速度接近声速时,会出现阻力剧增、操纵性能变坏和自发栽头的现象,飞行速度也不能再提高,因此人们曾以为声速是飞机速度不可逾越的障碍,故有此名。
  声障一词最早出现于20世纪40年代初期。第二次世界大战中,战斗机的设计已经相当成熟,虽然还沿用直机翼,但暴露在机外的零件已经很少,飞机外形十分“干净”。当时单台发动机的动力已超过一千马力(1马力=735.499瓦),飞机的平飞速度已达声速的一半;俯冲时,可以超过声速的0.7倍。正是在后一情况下发现飞机有自发栽头和尾翼强烈抖振现象,使整个飞机有破碎的危险。后来发现,自发栽头是由于翼面附近出现相当大的超声速区,翼面上吸力区(气压低于大气压的区域,也称负压区)大大地向后扩展,压力中心显著后移,从而产生很大的低头力矩造成的。翼面上的局部超声速区是以激波为后界的,而激波又引起翼面上的边界层分离;分离流很不稳定,打到尾翼处就会引起尾翼抖振。同时还使飞机的阻力随马赫数的微小上升而急剧增大,因而人们认为声速是飞行速度进一步提高的不可逾越的障碍。随着飞机外形设计的不断改进(如改用展弦比较小和翼剖面更薄的后掠机翼),推力更大的喷气发动机的制成,声障也就成为一个历史名词。
                        (徐华舫,《中国大百科全书/力学卷》P.427)
2、 在飞机突破音障时产生圆锥形云雾是有可能的,因为在自然界只要达到一定湿度,水汽就会凝结,有时压力突然降低也会使水气凝结。飞行时当飞机飞行速度接近声速时,在机身周围会形成局部的超声速区域。该区内温度降低以及激波后的压力增高,达到一定湿度,水汽就会凝结了,所以看到的就是一个雾状的圆锥体,它是飞机周围超声速流动区域的一种显示,并不是一个实体。有时也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。这是由于超声速区域内的温度降低以及激波后的压力增高使空气中的水汽凝结而成。水汽凝结变成微小的水珠后,肉眼看来就像是云雾般的状态。对于不同形状的飞机(或导弹),超声速流动区域不同,所形成的云雾形状也不尽相同。这种现象有的称之为普朗特-格劳厄脱凝结云。在飞机和导弹飞船也会出现这种普朗特-格劳厄脱凝结云,如上图所示。
  此外尾涡也能形成旋涡的状况,但是要在水汽很大的情况下才能出现,这与突破音障时产生的圆锥形云雾不同。据飞行员说,他们在飞行时也见到过尾涡凝结的情况,尾涡的形成是因为机翼上下压力差造成机翼下面的空气流向上面而形成涡流叫做尾涡或翼尖涡流,不管天气好坏它都会存在,平时没有水汽或水汽很少的情况下,不易看见;到了水汽较大时这种旋涡搅动了水汽,形成我们看到的气流画面,我们才得以看见尾涡或翼尖涡流。这与机身周围超声速区域看见的原理不太一样,它是尾涡搅动水汽而形成的。机身周围看见的现象是超声速区域内的温度降低以及激波后的压力增高使空气中的水汽凝结而成,这种现象需要飞机速度接近声速才会有;而尾涡的出现对飞行速度没有要求,任何速度都有可能出现,只是要求水汽含量很高才行。
                               (空军指挥学院教授 徐邦年)


飞机形成的尾涡