超声速飞行并非如传言般寂静无声。将声音比作水波,当我们以超过水波的速度在水中前进时,水波的确无法追上我们。
同样,超声速飞行的飞机也会将通过外部空气传播的声音甩在身后,从而使机舱更加安静。
然而,这并不意味着机舱内会完全静谧。乘客之间的对话仍然可以清晰地听到,因为机舱内的空气与飞机一同高速运动,声音在其中的传播不受影响。
此外,发动机的震动和机身与空气的摩擦也会通过飞机结构传入机舱,并通过舱内空气传播到人耳。因此,超声速飞行的机舱会比亚音速飞行更加安静,但并非完全无声。
超声速飞行的真相:告别“声障”,拥抱“激波”“声障”一词源于早期对超声速飞行的误解。当时,人们发现飞机接近声速时,会出现阻力剧增、操纵性下降等一系列问题,便将这些现象统称为“声障”。
如今,随着超声速飞行技术的成熟,“声障”已经成为一个历史名词,不再用于专业领域。
那么,超声速飞行究竟会发生什么?核心概念是“激波”。飞机飞行时会扰动周围的空气,产生向四周传播的弱扰动波,即广义的声波。
当飞机速度达到声速时,这些波会叠加在一起,形成强烈的激波。激波的形状类似一个圆锥,称为马赫锥。
当激波传到地面,会产生类似爆炸的巨大声响,这就是“音爆”。值得注意的是,音爆并非仅在飞机突破声速的瞬间出现,只要存在足够强烈的激波,就会产生音爆。
解读马赫数与激波如何判断一架飞机是否正在进行超声速飞行?有一种方法是观察飞机周围的云。这种云被称为普朗特-格劳厄特奇点,是由气压急剧变化导致的。
虽然这种云的出现并不一定意味着超声速飞行,但在存在激波的情况下,更容易产生,因为激波会导致空气压力剧烈变化。如果云的边缘清晰且呈锥形,则很可能是马赫锥。
通过马赫锥可以计算当地气流的马赫数。马赫锥的边缘与空气流动方向的夹角称为马赫角。
马赫角的正弦值的倒数即为当地气流的马赫数。例如,若马赫角约为60度,则当地气流的马赫数约为1.15。
需要注意的是,这指的是当地气流的马赫数,而非飞机的马赫数。由于飞机周身各处的气流速度不同,飞机不同部位的马赫数也会有所差异。
飞机的跨声速是一个马赫数范围,而不是一个精确的数值。这是因为在跨声速阶段,飞机某些部位的气流速度会率先超过声速,而其他部位则尚未达到声速。
当飞机所有部位的气流速度都超过声速时,才算真正进入超声速飞行状态。