[原创]破解音爆魔咒

壮志凌云2 收藏 26 6214
导读:前面的文章说到英法“协和”超音速客机因音爆、经济性等原因黯然退场,但音爆是致命的问题,客机要超音速飞行,就要破解音爆,消除音爆,那就得了解音爆的成因,才能采取相应的措施,这是超音速客机设计中的重中之重!关于飞机造成音爆的成因,我感觉现在所有的人不是耨的那么清楚,朦朦胧胧的,要不然消音爆的客机早就出现了。本人呢,也是理解得朦朦胧胧的,就好像在眼前却总也追不上,可能是鄙人学识短浅的缘故,因此本人将以自己狭隘的观点阐述音爆的形成和采取的方案。 1、音爆的成因 判关于音爆的成因虽然网上写的很明白,但还不能解惑我
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前面的文章说到英法“协和”超音速客机因音爆、经济性等原因黯然退场,但音爆是致命的问题,客机要超音速飞行,就要破解音爆,消除音爆,那就得了解音爆的成因,才能采取相应的措施,这是超音速客机设计中的重中之重!关于飞机造成音爆的成因,我感觉现在所有的人不是耨的那么清楚,朦朦胧胧的,要不然消音爆的客机早就出现了。本人呢,也是理解得朦朦胧胧的,就好像在眼前却总也追不上,可能是鄙人学识短浅的缘故,因此本人将以自己狭隘的观点阐述音爆的形成和采取的方案。

1、音爆的成因

判关于音爆的成因虽然网上写的很明白,但还不能解惑我们心中那音爆本原的疑惑,所以我用最简单的机械原理来阐述音爆形成的原理。

(1)、一般的理解

网上一般是这样描述飞机音障的,音爆实际上是一种冲击波。在一般情况下,声音是向四周以340米每秒的速度传播的。飞机在飞行中传播冲击波的同时也追赶自己的冲击波,当飞机前进的速度达到音速时就追上了自己的冲击波,于是就出现了音障音爆现象,如左下图。


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网上也有这么解释的,当飞机在空中作超音速飞行时,在机头或突出部分,也会象水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形波,这就是激波。当它们向外传播时便互相干扰和影响,然后汇集成一道包罗机头的前激波和一道尾随机尾的后激波。这种波虽然可以用上述的楔形水波来比拟,但有着迥然不同的性质。激波的厚度很小,经过波后空气的压强、密度、温度都突然升高,速度立即下降。当这两道激波波及到无论哪个空间和物体时,均会感到这种强烈的变化,反映到人的耳朵里,使耳鼓膜受到突然的空气压强变化,就感觉是两声雷鸣般的巨响,这种响声就称之为“音爆”。

这种解释很难让人信服,因为快艇是在两种介质---空气和水之间的水面上运动,而飞机则只在一种物质----空气中运动,所以它们遇到的情形肯定不是一样的,这样的理解不能说明问题。

(2)、“直角三角形”物理原理“弥漫”理解法

用什么波呀、气流呀不太好理解为什么上面的解释就能产生音爆,也就是说我们还不明白音爆更本原的物理现象,所以我这里还要采用碰撞、空气分子的运动等最基本、最简单的物理原理来解释,会让人更明白是什么原因导致飞机产生音爆,也比较容易找到克服音障的办法来。

但研究飞机在空气中运动我认为也不能简单到下面的反射模型原理上。如下图,比方说蓝色的为飞机上的20o斜角,在向前运动时撞击空气分子,空气分子以同样的反射角向后运动。


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因为飞机是整个“浸”在空气中,飞机的斜角是对弥漫在飞机周围的均匀空气进行相互作用,空气分子之间的引力和斥力互相作用形成一个整体,所以就不太可能像上图那样单纯的反射现象。

我们在研究导致飞机产生音爆具体成因时不要太迷信风洞,不能完全依赖风洞,在风洞中流过模型的气流会给人误判。风洞的风是主动的,初始状态就具有较大的动能,气流是真正地流过飞机,与飞机是顺向流动的。但实际上飞机是主动前进的,只不过采用气流相对运动的原理来理解飞机向前运动,气流相对地就向后流过。在实际中当飞机飞行时周围的空气刚开始是静止的,后来在飞机的作用下不是顺向流动,而是做横向流动,是机身突出部位对空气的横向推开运动。

如下图,下面的三角形是机身突出部位斜角的初始状态,上面的三角形是飞机前进一个相应的机身长度的结束状态。三角形中上端的“斜角”就是飞机突出部位与飞行方向的夹角,与这个斜角相连的直角边就是单位时间内相应经过的机身长度,空气分子开始处于斜角的上端。当飞机前进时,在直角三角形中与斜角相连的斜边的推动下空气分子就沿着斜边向左侧运动,直到运动到斜边末端的直角边为止再不向左侧运动。看下图中上面的直角三角形,这时空气分子被推动的距离正好是斜角的对边直角边的长度,而空气分子在飞机飞行方向上没有什么位移(或有一定的位移,但对实际影响不大),它只是做了与飞行方向垂直的横向运动。


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从以上分析中看到空气不是真正地流过飞机,只是相对地好像流过机身,实际是做横向流动,并且空气的运动是被动的,空气分子初始状态是静止的,不具有动能。所以实际和风洞中这是两和种不同的状态,如果我们完全照搬会给我们带来认知上的麻烦。

要分析飞机飞行时到底是怎样造成音爆的,就得了解什么是声音。我们知道当物体振动时,带动附近的空气分子一起运动,运动的空气分子再通过分子间的引力和斥力把这种振动传向四周,这就是声音。空气分子是以一定的速度(一般好像三四百米)做不规则运动的,最后综合起来一般传递声音的速度大约每秒在340米左右。

那音爆是怎么形成的,可以举个例子,我们握一根棍子,如果中间有突出的部分,就比上下一般粗更容易握住了。飞机飞行也同样,如果前后一般细,前进时空气顺畅从身边通过,也就不会产生音爆了。可飞机的机翼舱盖武器等突出部位给了空气极好的机会,在一定速度时紧紧地抓住了飞机,让飞机前进困难。比如上图中飞机的突出斜角为45o来说,飞机的前进速度与身边空气被横向推开的速度一样。飞机前进,就向旁侧推开最近的空气分子(左下图中红色点子),空气分子运动传递着飞机的冲击波(激波),当飞机速度低时,空气分子传递声音的速度快于飞机的速度,声音(冲击波)把飞机甩在后面向前方大约180o范围传播着(左下图中机身周围一大堆蓝色点子),当飞机速度加快时,飞机就逐渐缩短与前面声音(冲击波)的距离,渐渐追上了自己产生的冲击波,此时空气分子传递声音的运动速度大于飞机速度,空气分子本身不规则运动本能还起主要作用。


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当飞机速度达音速时,身边空气被横向推开的速度一样达到了音速,空气分子传递声音的运动速度达到了极限,此时空气分子传递声音的运动速度等于飞机速度,空气分子本身不规则运动本能已不起多大作用,空气分子来不及向四周运动传递冲击波而密集地挤在飞机机身前方(中上图,周围空气还处于静止状态),相应飞机机身体积大小的空气压缩形成了的气幕墙。由于高度压缩,沸点升高,于是空气中的水蒸汽便析出变成水雾状的“音爆云”。密集压缩了的空气性质就改变了,就像液体、固体一样,成为一件阻碍飞机前进的“紧身衣”,牢牢地抓住机身的这些突出部分,使飞机的阻力骤增。


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当速度再进一步增加超过音速,飞机突出部位“粗暴”地碰撞“撕裂”这件“紧身衣”,第一声音爆就产生了(前激波),也就是飞机与空气分子的撞击声。如左上图,虚线飞机为第一次音爆时的飞机飞行位置,此时空气分子(蓝边红心圆点)传递声音的运动速度小于飞机速度,空气分子本身不规则运动本能已不起作用,已失去主动性,空气分子被机身突出部位撞击后飞离机身,由于飞机的速度达音速以上,飞机前面的空气分子的运动传递速度远小于飞机的速度,所以前面的空气原先是静止的,飞机如此高速撞击静止的空气就发出第一声巨大声响(右上图,红色为被撞击的空气分子,涌进蓝色静止的空气中,互相猛烈碰撞发出巨大声响)。此时空气可能离开机身,不随机形走了,在机身旁侧突出部位可能形成瞬间真空。一般现在的飞机在机尾的设计不是逐渐闭合都是比较陡地结束(中上图),并且飞行速度太快超过音速(空气分子的运动速度),在飞机飞过时机身周围、尾部形成了瞬间真空。第一次音爆之后飞机(虚线)向前飞行由坐标8移动到坐标4(实线),这个尾部真空区又会被众多极度压缩状态的空气分子反弹回正常状态所填补上,形成了空气与空气相撞声波,这就是地面听到的第二次音爆声(后激波)。飞机超音速一路飞下去,飞机前面突出部位不停地撞开空气,空气又不停地在机尾闭合,音爆就会在地面一路不停地炸响下去。

这个原理也解释了为什么飞机突破音障后阻力反而下降和升力减少的原因。因为飞机速度的加快,空气分子已不能堆积压缩的飞机的前面,阻碍飞机的前进,而是还在静止状态时就被飞机撞开或分开,所以不会形成阻碍前进的“紧身衣”,所以超音速后阻力反而下降。由于超音速了,空气在不合理的外形下与机体分离,所以升力减少。

有些条件下可能只会一声音爆,前一声音爆或后一声音爆。我分析只有后一声音爆可能性大些,因为现在的飞机后掠角可以做得很小,所以在一定速度下可以消除前一声音爆。但一般的飞机尾部外形都不是比较圆滑的结束,而是比较陡地结束,这样的斜角角度较大,空气就会在尾部真空区剧烈相撞而发出后一声音爆了。

2、音爆现象的启示

从上面的分析中可以得出这样的结论,是飞机旁侧的任何突出部分的斜角(后掠角)在相应速度下决定其突出部位激波音爆的产生。斜角的定义就是机体突出部分与飞行方向之间的夹角,不考虑飞行状态(迎角)可以理解成机体突出部位与机身纵轴线之间的夹角,任何部位是指飞机飞行方向的垂直横截面的360o范围内,无论是向前夹角还是向后夹角。相应速度就是指某角度的斜角产生激波音爆时的速度值。也就是说,不同角度的斜角产生音爆的速度值是不同的,这就让我们选择合适的斜角和选择相应合适的速度以避开音爆提供了条件。

下面从我画的两幅图来进一步分析一下。

下图是飞机运动的起始图,机身突出部位等效为直角三角形,黑色直角边为相应机身长度,红色直角边为空气被横向推开距离,蓝色斜边为飞机的具体外形。图中举了四个例子,第一个例子是空气推开距离与相应机身长度的比是2:1,这时斜角的角度大约是63.42o(63o25’);第二个例子是空气推开距离与相应机身长度的比是1:1,这时斜角的角度大约是45o;第三个例子是空气推开距离与相应机身长度的比是1:2,这时斜角的角度大约是26.58o(26o35’);第四个例子是空气推开距离与相应机身长度的比是1:3,这时斜角的角度大约是18.43o(18o26’)。在斜角的起始点处有一个红色空气分子做为参照物,这四个例子中红色空气分子参照物纵坐标大约是在3的位置,它们分别的坐标为(3,3)、(3,5)、(3,7)、(3,9)。


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下图是飞机前进一个相应的机身长度时的结束状态。红色空气分子参照物已被推到斜角的下方结束点处,这时四个例子中红色空气分子参照物的坐标分别为(3,1)、(3,4)、(3,7.5)、(3,8.66)。可以看出,空气的纵向没有位移,横向在62o左右时位移了2 倍相应机身长,45o左右时位移了1倍相应机身长,27o左右时位移了相应机身长二分之一,19o左右时位移了相应机身长三分之一。

飞机在飞行时相应的机身长度就可以理解为飞机的速度,空气分子推开的距离就可以理解为空气横向飞离机身的速度,那么我们就可以说,当机身突出部位的斜角角度为63.42o(63o25’)时,空气横向推开距离是相应机身长度的2倍,也就是空气横向离开速度是飞行速度的2倍,所以只要飞机速度不达到音速的二分之一,机身相应突出部位就不会产生音爆;当机身突出部位的斜角角度为45o左右时,空气横向推开距离和相应机身长度相等,也就是空气速度与飞行速度相同,只要飞机速度不达到音速,就不会产生音爆;当机身突出部位的斜角角度为26.58o(26o35’)时,相应机身长度是空气横向推开距离的2倍,也就是飞行速度是空气速度的2倍,只要飞机速度不达到音速的2 倍,就不会产生音爆;机身突出部位的斜角角度为18.43o(18o26’)时,相应机身长度是空气横向推开距离的3倍,也就是飞行速度是空气速度的3倍,只要飞机速度不达到音速的3 倍,就不会产生音爆;… … 。


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这就解释了为什么后掠翼为什么能延迟激波产生的原因。也就是说,后掠翼设计不是真的能消除音爆,音爆恐怕是消不去的,但是可以在一定的速度范围内消除,后掠翼设计是为了延迟音爆的产生,使产生音爆的速度值更高。

实际上音爆云现象也间接证明了斜角大小对音爆的影响。

你看那火箭的前头斜角比较钝,就产生的音爆云,而箭身平直,斜角小,就不产生音爆云。飞机也是,机身上所有部位的前进速度都一样,驾驶舱和机翼尾翼等比机身突出的部位就产生了音爆云,说明此处空气受到强烈压缩,而机身平直的地方却没有音爆云,这可以看出特定速度与斜角大小决定音爆的产生。


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现在的飞机,特别是战斗机超音速时发生音爆也说明的斜角过大的原因。实际上斜角大的时候就是没到音速也出现空气极度压缩的现象,如网上还有个例证就是民航乘客所看到的,“在晴天高空航行过程,飞机速度约为音速的85%(即马赫数约0.85)时,经常可看到机翼上表面当中有一条淡淡的顺翼展方向的黑影在反复作幅度不大的前后晃动,其位置就在理论上机翼可产生激波的地方,这很可能就是机翼上激波根部的影像,否则中午在高空飞行,不可能有东西在机翼上方,哪来的长条形影子?当飞机开始减速降低高度下滑时,这影子就不见了”。一般的民航客机的机翼斜角都大于45o,所以肯定没有到音速就会产生激波了。

根据这些现象和理论的分析,我们就能找到解决音爆问题的路子来,这就是降低斜角角度,控制飞行速度防激波的方法。

3、消除音爆的方法

(1)、机体形状降激波

根据“直角三角形定理”,特定速度、特定形状下可以令空气随附机形走,气流与机体不会发生分离,就不会产生音爆。比如飞机上任何部位突出的斜角小于22o ,那么飞行速度是空气速度的2.5倍,那么飞机在2.5倍音速以下飞行时空气旁侧飞离速度就不会达到音速,所以不会产生音爆。如果突出的斜角小于19o ,那么飞机在3倍音速以下飞行时不会产生音爆。


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任何部位是指飞机飞行方向的垂直横截面的360o范围内,无论是向前斜角还是向后斜角。也就是说,飞机要想在特定速度下消除音爆,飞机前头后掠角和飞机尾部前掠角要相同,都要符合要求。这可以说防音爆飞机基本上就是个前后对称图形,前后都要圆滑。但这就造成了机身可能要狭长的问题,并且,要进行超音速,减小迎风面,机身也要细长,前后几乎对称。

还要注意,机身上突出部位越少越好,所以尽量减少机翼和控制面(舵),可以多设计在机体内的气动矢量控制系统。

(2)、引导激波(冲击波)传导方向

上面已经说明白了,音爆是消不除的,只有在特定的角度和速度下来延迟它的产生。如果有时就是难以避免音爆的产生,我们可以改变声波传导的方向,也就是说不让音爆的声波向下传往大地,而是向上、斜上方传播。

我们知道,声音也有方向性,如高音喇叭,它前面的声音最响,而在旁边和后面声音就很小,根据这个原理我们可以让超音速客机产生的激波传导向地面相反的方向。在具体设计时可以把飞机的底面设计成“平底船”结构,也就是飞机的底面平直,纵截面设计成飞机前头和尾部三角形、中间长方形的结构,把产生的冲击波向上辐射,这样对下方就没有什么冲击波了。


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同时,机身横截面设计成近似三角形,这样飞机头部逐渐隆起的突出部分产生的冲击波就向两侧斜上方传播,也不会把音爆传向地面了。

(3)、飞行对音爆的影响

由于飞机突出部位的斜角定义为突出部位与飞行方向纵轴线的夹角,所以在做超音速飞行时就要避开能产生音爆的仰角。同时飞行的速度要控制好,不要超过产生音爆的临界速度,转弯速度。

总之,我们只有真正地破解了音爆的魔咒,才能让超音速不再是问题,才能让超音速客机重返蓝天!


本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

[ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]

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