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突破音障有多難?當年被視為不可逾越的障礙

2021-10-28由 補點歷史知識 發表于 體育

何為音障?

所謂音障,就是當飛行器的飛行速度達到音速的十分之九(即馬赫數M0.9),大約為每小時950公里時,飛機周圍的區域性氣流就可能達到音速,從而導致氣動阻力迅速增大

,輕則影響飛機飛行姿態,重則導致機毀人亡。在螺旋槳飛機時代,

人們認為音速是飛機飛行速度不可逾越的障礙,音障也因此得名。

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音障的危害

當飛行器飛行速度接近1馬赫時,飛行器前方急速而來的空氣不會像平時一樣散開,而是堆積在飛行器的周圍,產生極大的壓力進而引發看不見的空氣漩渦,

這種空氣漩渦又被稱為“死亡漩渦”,如果飛行器機身不做加固處理,就會瞬間被巨大的壓力撕碎。

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在飛行器周圍達到音速的氣流會產生激波,而激波會使流過機身和機翼表面的氣流變得非常紊亂,從而導致飛行器激烈抖動,操縱變得十分困難。

與此同時,混亂的氣流會使飛機機翼下沉,機頭向下載,如果此時飛機正在爬升,機身會自動上仰,這些都會嚴重影響飛行安全,一旦操作不當,就可能導致飛機墜毀。

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解決方法

說了這麼多,難道音障真的無法被突破嗎?其實並不是,因為聲波的傳遞速度是有限的,因此,移動中的聲源是可以追上甚至超過自己發出的音波的,當物體速度增加到與音速相同時,聲波開始在物體前面堆積。

如果這個物體有足夠的加速度,便能突破這個不穩定的聲波屏障,衝到聲音的前面去,也就是突破音障。

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突破音障原理

但是

,為了突破音障,單純提高飛行器發動機推力是遠遠不夠的,飛機的外形和機體結構都要進行適當地改進

,例如超音速飛機的機翼要比亞音速飛機的機翼薄很多(二戰時期大多數飛機機翼裡面是可以裝機槍和航炮的),一般來說超音速飛機機翼的相對厚度(即機翼最大厚度處與翼弦的比率)很難超過5%,即機翼最大厚度只有十幾釐米,超音速飛機的翼展(即即機翼兩端的距離)不能太大,而要趨向於寬且短使翼弦增大。

於是,後掠翼(Me-262、米格-15、F-86),三角翼(幻影-2000)等機翼樣式便取代了平直翼成為超音速飛機的主流翼形。

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像F-104這樣機翼又短又薄的,是可以不用後掠翼的

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F-18突破音障瞬間

▲那個白色的東西被稱為音錐,是由於先前堆積的衝擊波造成物體前端壓力過大,又在物體突破了音障(sonic barrier)之後,堆積於機身前的巨大壓力頓時消失,瞬間引起的壓力驟減,導致空氣中的水氣凝結溫度瞬間降低,於是水蒸氣便凝結成小水滴,肉眼看來便像是雲霧般的狀態,其特徵是一個以飛機為中心軸、從機翼前段開始向四周後方均勻擴散的圓錐狀雲團。

進入噴氣時代

飛機發動機推力越來越大,飛機造型與機體結構也越來越完美,突破音障就變得不那麼遙不可及,而為了追求速度極限,人類更是樂此不疲

,先是米格-19和F-100兩款僅依靠自身發動機就可在平飛中超過音速的飛機,緊接著在1958年,F-104和米格-21又將這一記錄提高到馬赫數2。0(雖然只能靠開加力來達到,而且只有幾分鐘時間),再到米格-25和SR-71的出現,更是將飛行速度推向極致,它們的升限高達30000米,最大速度達到了三倍音速(這已經接近噴氣式發動機的極限了)。

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