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什么是超音速的音障？超音速飞机在突破音障时为什么图片上会出现雾状？

2025-01-03 12:34:03

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回答1：

音障其实是空气动力学的一个意外发现。

当年对空气动力学研究的时候，得出了飞行速度和空气阻力的一组关系式。但是在实际的操作中发现，当飞行速度接近音速的时候，空气阻力的提升速度比理论值高很多，要达到音速这个速度仿佛遇到一个很大的障碍；当超过音速之后，空气阻力又会慢慢恢复到和理论值吻合。

当时对这个奇怪的问题做出了正确的理解：物体在空气中移动都会对空气产生压缩，这个临时性的高压会以声波向外传播，因此我们才会听见高速运动物体经过时发出的风声。

而如果物体以音速飞行，它向前发出的声波就不能够离开它，传播不出去，所以这些高压会在物体前方累积成为一个冲击波。而对于物体来说，这个冲击波就像一堵墙，阻力非常大；而当物体顺利突破音速，这个冲击波就会落在物体后面，不能再产生很明显的影响。

冲击波的声音就是像我们平时听见的爆炸声。而如果在空气中湿度适宜，当冲击波扫过的时候，空气会由于气压骤升而令水汽出现短时的过饱和，凝结出水雾，我们就能用肉眼看见冲击波了。

不仅是飞机，有时火箭的发射也会看见有冲击波的出现，不过当然，我们可以通过适当的外形设计令火箭避免形成明显的冲击波，从而减少阻力，节省燃料。

回答2：

物体在空气中运动时，会对空气产生一定的扰动，这种扰动的形式一般是压强变化或者压强梯度，然后扰动会以声波的速度向外传播（声波本身就是机械波的一种。）但是不要把这种扰动误解为气流。
就好比我们挥一下手，我们会感觉产生一阵小风，但是我们的手在空气中造成的扰动，早已传播出去。如果挥手的速度足够快，扰动足够强，我们就能听到风声，这种风声就是由空气扰动产生的。

有一个典型的例子。机翼的下表面的空气压强比上表面大，然后这种压强差会以压强梯度的形式，以音速向飞机前方传播，因此在飞机前方很远也会出现下方空气压强比上方大的现象，这种现象会推动飞机前方的空气从下向上运动，从而形成机翼前缘气流的“上洗”现象。

当飞机的速度达到音速时，飞机会追上自己飞行过程中产生的声波和空气扰动，也就是说，飞机在这一秒产生的声波会和前一秒的声波叠加起来。这时候，飞机在飞行钟产生的所有扰动会全部叠加在一个很薄的平面内，形成一道非常强的界限波。这道界限波的名称很多，但是一般习惯上称为“激波”，不过在一些老的教材上，把它分为膨胀波和压缩波，把“激波”特指为爆炸激波（俗称冲击波）。不过压缩波和爆炸激波的物理特性几乎是完全一样的。

激波的特性是孤立的波峰，没有波谷，波峰会产生瞬时高压和高温，激波会对空气做功，导致空气温度升高。还有一个特点，就是波后音速高于波速高于波前音速。简单地说，激波后方的音速一定比激波还要快。因此激波后方产生的空气扰动会追上激波，并且加强激波。而激波的速度一定快于激波前方的音速，因此激波前方的声波会被激波追上，因此造成了激波前方的空气相对“平静”。

飞行激波的出现是需要消耗大量能量的，因此飞行激波出现后会产生很大的波阻。对于飞行物来说，激波的波阻非常大，常常可以达到其他所有阻力的两到三倍，而且这种波阻是在突破音速的瞬间突然出现的。你可以想象一下，在飞机冲刺的时候飞行阻力突然增大三倍，这种效果就像突然撞到一堵墙一样。这就是所谓的“音障”

真实的飞机上首先出现激波的地方是机翼上表面，因为这里的空气流动速度比飞行速度还要快。一般来说，飞机在0.75马赫左右就会出现激波和波阻，但是这时候激波只出现在局部区域，激波比较弱，波阻也较小，当飞机达到音速时，飞机表面全面产生激波，这时波阻就达到一个非常大的程度。

但是真实飞机上激波的逐步出现还产生另外一个危险。那就是“跨音速颤振”。由于出现激波后，波后空气的物理性质产生突然变化，进而使飞机的受力产生变化。再进一步，由于受力变化导致飞机的姿态变化，局部外形变形，以及空气流动条件变化等，又反过来影响激波的生成。然后造成飞机上的局部激波时有时无或者前后移动，最终飞机就会不受控制的开始颤抖。

请注意区分“音障”和“跨音速颤振”。

突破音障时产生的锥形云雾。

在空气中经常会存在过饱和水蒸气，而过饱和水蒸气一旦受到强扰动的影响就会迅速凝结成雾状水滴。请注意，飞机在飞行时翼尖或者涡流发生器拉出的卷曲状白烟其实就是凝结雾，和超音速飞行时的凝结雾没有区别。只不过超音速飞行时水蒸气是受到激波的扰动，因此在激波面上凝结，形成锥形或者伞盖状的薄薄一片。当飞机的速度更快时，由于激波面的温度很高，凝结的小水滴会被瞬间蒸发，因此云雾会以极快的速度消失。

请注意，涡流雾也好，激波雾也好，都是在特定气象条件下出现的特殊现象，不是每一次飞行都会出现的。

顺便纠正一下上面两位的一点小错误。

首先，超过音速后激波不会消失，也不会被甩掉，波阻更不会消失，而且会随着速度的增加而增加。

其次，音爆不是激波。激波的强度是远远超过人类听觉极限的。音爆实际是激波减弱，蜕化之后的产物。

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