首页资讯军事武器战机高速飞行时，为啥有时会有一白色纱裙般锥形薄雾，是什么“神秘力量”？

战机高速飞行时，为啥有时会有一白色纱裙般锥形薄雾，是什么“神秘力量”？

诺哈网2023-06-22 21:47:260阅

这不是音爆云！其实这是离子护盾（笑）

【军武次位面】作者：杨树

“音爆云”是一种非常漂亮的物理现象，当飞机高速飞行时，有会一定概率看到围绕在机身周围，如同白色纱裙一般的锥形薄雾。虽然只会持续短短的时间，却是为军迷们所津津乐道的战机专属现象，因为民用飞机几乎没有可以达到声速的。

音爆云是怎么产生的？这层云是不是跟突破声速一定有关呢？又或者还有其他的“神秘力量”相助呢？

这就要从突破“声障”的历史说起了，自从飞机发明以来，怎么样飞得快就是一直是各国航空设计师和科学家们的孜孜追求。在活塞机时代，尽管对机身进行不断的修形，发动机功率一再提高，但每小时800公里基本上就是上限了。很长一段时间内，飞行器能否突破声速，人们都存在争议。

为什么活塞机始终不能超越声速呢？只要以螺旋桨来驱动飞机，那么桨尖一定是螺旋桨上线速度最大的地方，考虑到飞机本身还有向前的平动速度，实际上桨尖相对于空气（或地面）是在做一个螺旋运动。当飞机速度达到每小时700多公里的时候，桨尖的合成速度（转动平动）就已经达到声速了。

▲假如一定要用螺旋桨式飞机来突破超声速，那么桨叶大概就得是这个样子，直径变小，面积增加，还得像弯刀一样

▲活塞机的究极体：海火Mk47就采用了类似布局

▲现代的螺旋桨通常要进行外形优化来尽量推迟桨尖激波的产生

浆尖达到声速，就会形成激波，导致转动阻力陡增，最直接的现象就是螺旋桨转动吃力，然后就会出现动力不足，再然后飞机就该栽下去了……，所以要想以螺旋桨为动力形式来超越声速，从原理上讲是难以实现的。

这里顺便说一下激波（Shock wave），简单的讲，激波就是物体在某种介质中运动，当速度足够快时，对这种介质产生的扰动来不及传播开来，被迫迭加形成的压缩波。通常飞机产生激波，或螺旋桨产生激波，大致都可以这样理解。

如果从本质上讲，激波应该这样解释——超声速气流受到扰动后产生的压缩波，可以产生在物体表面上，也可以产生在管道内，但无论如何，气体超声速流动是必要条件。激波产生后，激波前后的介质物理参数会发生突变，对于空气来讲，密度、压力和温度会变大，流速会减慢，这也是为什么出现激波后，阻力会突然大的原因。

▲物体是钝头还是尖头决定了激波的强度Griffin 和附着形式，你觉得哪一个阻力更大？

激波可以设想为空气来不及闪开而在瞬间被挤压而成，并随着物体前进的一个断层，如同一堵薄而硬的墙壁，如果一个物体顶着或带着激波（为什么要说“带”呢？后面再讲），就像顶着一把大伞或带着一圈环形板一样，阻力会大很多，这也是飞机要突破声障的一道难关——发动机的动力要足够大。

▲X-1装备火箭发动机由母机投放到空中

基于以上原因，要想突破声障，就得采用新的动力方式。人类首次实现超声速飞行的纪录是在1947年10月14日，由美国飞行员查尔斯•埃尔伍德•耶格尔（CharlesElwood Yeager）驾驶名为“迷人的葛兰妮”号（Glamorous Glennis）的X-1试验机所创造，耶格尔在12800米的高度上依次打开四具灯火箭引擎，从0.83马赫一举冲到1.06马赫，并以此速度飞行了约20秒。

即使穿越声障发生在万米高空，地面指挥中心仍然听到了雷声般的巨响，这正是突破声速时产生的“音爆”。激波会在远离飞机一定距离后衰减为膨胀波，也就可以被听到，只是响声很大。

▲其实生活中听到莫名的巨响很可能是高空的战斗机在作训

响声大就意味着声波携带的能量大，而这个能量就来自于被激波消耗掉的飞机动力。X-1的成功说明了喷气式飞机才是突破声速的正确方向，之后的战机就基本告别螺旋桨了。

如果距离飞机足够近，激波还没有多少衰减的范围内，激波造成的压强变化已经超出人类的听觉范围了，所以是“听”不到激波的。当然，“听”不到激波的另一个原因是，这时候人已经被震死了……

▲人类真的这么脆弱？

在激波到来之前，人周围的空气是静止的，而激波锋面以非常接近飞机的速度撞上来，就如同飞来一块看不见的大门板，以人类的肉体凡胎，是经不住这样一“扇”的。

即使距离稍远，比如两三百米，这种巨大的声响也会对人产生巨大的震撼，甚至对建筑物也会有损害，所以战机会被禁止在人口密集的地方低空飞行。鑫磊所在的法外军团在马里执行任务时，有一种战术就是呼叫幻影2000低空飞行，以声波扫荡地面，就算躲在建筑物里，也会被震个七荤八素，战斗力大减。

▲飞机在高马赫数时产生的激波是这样的（风洞照片）

以上的分析是把飞机作为一个点来看待，这是一种简化的分析。一个点要产生激波，运动速度当然就得结结实实的达到声速才行。但飞机实际上是一个三维的立体物，细致分析的话，并不能完全简化为一个点。

我们在平时的生活中都有这样的经验，如果身处一个相对狭窄的空间，那么通过其中的空气流动速度将会大于在一个敞开的空间，这是因为在密度变化微小的前提下，截面积变小，流速就得变快，这样才能保持通量平衡。在亚声速风洞中，正是利用这个原理来加速气体流动。

▲这是超临界翼型RAE2822在0.729马赫（2度攻角）下模拟计算所得到的马赫数流场，在翼型最厚处，马赫数已经大于1（越红越数值越大）

通常飞机或其它飞行物（比如炮弹），从头部开始，截面积会有一个渐次增加的部分，会将迎面而来的气流向两侧挤压，其效果相当于减小了空气通过的截面积。如果以飞机（或炮弹）本身为参照物，就会出现这么一个现象——在横截面积最大的地方，两侧的流速是大于迎面空气流速的。

所以，在飞机或炮弹的表面上，气流最早达到超声速的地方并不是在头部，而是在横截面积最大的地方。通常把物体此时的马赫数称为“临界马赫数”，根据飞行物的形状不同，这个数字从0.6到0.9都有可能。那么气流达到了超声速，会发生什么情况呢？上面这幅图同样还是超临界翼型RAE2822在同等条件下的模拟计算结果，只是物理量换成了温度，也就是温度场。对比上图（注意流场颜色和图例），你有何发现？

▲带一定攻角飞行的战机形成的“云”从各个角度看都很漂亮！

在流速最大的地方，温度也低了，甚至低于零度。这是因为空气来流的能量是衡定的，速度快了，自然温度就减小（动能增加，内能减少）。低温同时也为马赫数增加做了贡献，因为空气的声速是与温度是正相关的（温度高，声速大，反之类推）。温度低于冰点，自然会引起水汽凝结，所谓的“音爆云”，大致就是这么出现的。

如果你看过战机产生“音爆云”的动态视频，就会发现这种现象会持续一段时间，速度再快就消失了。其实原因也很简单，前面已经讲过，超声速气流只要受到扰动就会产生激波，而飞机或者炮弹的表面，并不会是绝对光滑的，只要有一点点微小的突起或一个小缝隙，就会立即形成一道激波，这几乎是与“云”同时产生的，这就是前面为什么说飞行物会“带”着激波的原因。

▲某种传统翼型的流场变化随着来流马赫数的增加，超声速区域从中间的局部开始向头尾扩散最终形成前后两道完全发展的激波

此时形成的激波被称为“局部激波”，确实也是“局部”的。激波会带来相反的效应——流速下降，温度升高，当然，刚刚达到临界马赫数时在两侧产生的激波还比较弱，增温有限，但随着速度继续增加，激波强度增加，并且位置开始前移，于是“云”很快就又消失了。

可以看出，“音爆云”产生时，飞机与静止空气之间的相对运动速度还尚未达到声速，但也不能说与突破声障毫无关系，因为“声障”的实质是激波带来的巨大阻力，而“音爆云”实际上是与局部激波相伴生的现象。当然，根据其产生的原理，某些亚声速飞机同样会在达到临界马赫数时产生“音爆云”，比如最快能飞到第小时1000公里，约相当于0.8马赫的B-52就有此本领。

▲谁说块头大就帅不起来的？

在超音速状态进行机动时，飞行员将会承受巨大的压力！美军在1958年进行了一系列的试验，来检测人类的极限！下图中的飞行员在加速到340英里（约547公里）每小时的速度后，在1.4秒内瞬间停了下来！其间飞行员承受了50G以上的压力！

在后来的类似试验中，飞行员最高承受了83G的巨大压力！这个数字至今仍是世界纪录！试验的飞行员当场就昏了过去，本以为他会受很严重的伤，但是他仅仅休息了几天就恢复正常了…

▲毕竟我们不是超人…

▲运载阿波罗11号飞船的火箭在接近1马赫时产生的“音爆云”

▲这朵大蘑菇都认识吧？

其实“音爆云”有一个专业术语，叫做“普朗特-格劳厄凝结云”（Prandtl Clauert condensation clouds），不只是在飞机或火箭这些飞行器上能见到，某些剧烈爆炸，比如在核试验中也能见到这种现象。以上关于“音爆云”的粗略解释大致能说明飞行器为什么会在在接近声速时产生凝结云，但更为普遍的原理至今尚未明朗，仍是一个有待研究的领域。

▲客机在起降时产生的翼尖涡流会对下一架飞机产生有害影响，所以客机起降频率不能过于密集

另外，不要把“音爆云”和涡流混淆起来，涡流有时也会被看见，看上去也是像白色的雾气，但涡流和“音爆云”的产生原理以及外形特征都不一样。涡流是由于飞行器表面因为某种原因（气流撞上边条或鸭翼，在尾部不能自然折转补充后部空间）导至附面层发生分离而产生的，翼尖涡流则是由于机翼上下压力差而产生的环形流动。涡流要么是环形，要么是拉长的条状，这与通常都略呈锥形的“音爆云”有所不同。