飛機音爆(飛機音爆會整個城市都聽到嗎)

今天聊個稍硬核的知識：什么是音爆

“音爆云”是一種非常漂亮的物理現象，當飛機高速飛行時，有會一定概率看到圍繞在機身周圍，如同白色紗裙一般的錐形薄霧。雖然只會持續短短的時間，卻是為軍迷們所津津樂道的戰機專屬現象，因為民用飛機幾乎沒有可以達到聲速的。

音爆云是怎么產生的？這層云是不是跟突破聲速一定有關呢？又或者還有其他的“神秘力量”相助呢？

這就要從突破“聲障”的歷史說起了，自從飛機發明以來，怎么樣飛得快就是一直是各國航空設計師和科學家們的孜孜追求。在活塞機時代，盡管對機身進行不斷的修形，發動機功率一再提高，但每小時800公里基本上就是上限了。很長一段時間內，飛行器能否突破聲速，人們都存在爭議。

為什么活塞機始終不能超越聲速呢？只要以螺旋槳來驅動飛機，那么槳尖一定是螺旋槳上線速度最大的地方，考慮到飛機本身還有向前的平動速度，實際上槳尖相對于空氣（或地面）是在做一個螺旋運動。當飛機速度達到每小時700多公里的時候，槳尖的合成速度（轉動 + 平動）就已經達到聲速了。

▲假如一定要用螺旋槳式飛機來突破超聲速，

那么槳葉大概就得是這個樣子，

直徑變小，面積增加，還得像彎刀一樣

▲活塞機的究極體：海火Mk47

就采用了類似布局

▲現代的螺旋槳通常要進行外形優化

來盡量推遲槳尖激波的產生

漿尖達到聲速，就會形成激波，導致轉動阻力陡增，最直接的現象就是螺旋槳轉動吃力，然后就會出現動力不足，再然后飛機就該栽下去了……，所以要想以螺旋槳為動力形式來超越聲速，從原理上講是難以實現的。

這里順便說一下激波（Shock wave），簡單的講，激波就是物體在某種介質中運動，當速度足夠快時，對這種介質產生的擾動來不及傳播開來，被迫迭加形成的壓縮波。通常飛機產生激波，或螺旋槳產生激波，大致都可以這樣理解。

如果從本質上講，激波應該這樣解釋——超聲速氣流受到擾動后產生的壓縮波，可以產生在物體表面上，也可以產生在管道內，但無論如何，氣體超聲速流動是必要條件。激波產生后，激波前后的介質物理參數會發生突變，對于空氣來講，密度、壓力和溫度會變大，流速會減慢，這也是為什么出現激波后，阻力會突然大的原因。

▲物體是鈍頭還是尖頭

決定了激波的強度Griffin 和附著形式，

你覺得哪一個阻力更大？

激波可以設想為空氣來不及閃開而在瞬間被擠壓而成，并隨著物體前進的一個斷層，如同一堵薄而硬的墻壁，如果一個物體頂著或帶著激波（為什么要說“帶”呢？后面再講），就像頂著一把大傘或帶著一圈環形板一樣，阻力會大很多，這也是飛機要突破聲障的一道難關——發動機的動力要足夠大。

▲X-1裝備火箭發動機

由母機投放到空中

基于以上原因，要想突破聲障，就得采用新的動力方式。人類首次實現超聲速飛行的紀錄是在1947年10月14日，由美國飛行員查爾斯?埃爾伍德?耶格爾（CharlesElwood Yeager）駕駛名為“迷人的葛蘭妮”號（Glamorous Glennis）的X-1試驗機所創造，耶格爾在12800米的高度上依次打開四具燈火箭引擎，從0.83馬赫一舉沖到1.06馬赫，并以此速度飛行了約20秒。

即使穿越聲障發生在萬米高空，地面指揮中心仍然聽到了雷聲般的巨響，這正是突破聲速時產生的“音爆”。激波會在遠離飛機一定距離后衰減為膨脹波，也就可以被聽到，只是響聲很大。

▲其實生活中聽到空中莫名的巨響

很可能是高空的戰斗機在作訓

響聲大就意味著聲波攜帶的能量大，而這個能量就來自于被激波消耗掉的飛機動力。X-1的成功說明了噴氣式飛機才是突破聲速的正確方向，之后的戰機就基本告別螺旋槳了。

如果距離飛機足夠近，激波還沒有多少衰減的范圍內，激波造成的壓強變化已經超出人類的聽覺范圍了，所以是“聽”不到激波的。當然，“聽”不到激波的另一個原因是，這時候人已經被震死了……

▲人類真的這么脆弱？

在激波到來之前，人周圍的空氣是靜止的，而激波鋒面以非常接近飛機的速度撞上來，就如同飛來一塊看不見的大門板，以人類的肉體凡胎，是經不住這樣一“扇”的。

即使距離稍遠，比如兩三百米，這種巨大的聲響也會對人產生巨大的震撼，甚至對建筑物也會有損害，所以戰機會被禁止在人口密集的地方低空飛行。鑫磊所在的法外軍團在馬里執行任務時，有一種戰術就是呼叫幻影2000低空飛行，以聲波掃蕩地面，就算躲在建筑物里，也會被震個七葷八素，戰斗力大減。

▲飛機在高馬赫數時產生的激波是這樣的（風洞照片）

以上的分析是把飛機作為一個點來看待，這是一種簡化的分析。一個點要產生激波，運動速度當然就得結結實實的達到聲速才行。但飛機實際上是一個三維的立體物，細致分析的話，并不能完全簡化為一個點。

我們在平時的生活中都有這樣的經驗，如果身處一個相對狹窄的空間，那么通過其中的空氣流動速度將會大于在一個敞開的空間，這是因為在密度變化微小的前提下，截面積變小，流速就得變快，這樣才能保持通量平衡。在亞聲速風洞中，正是利用這個原理來加速氣體流動。

▲這是超臨界翼型RAE2822在0.729馬赫（2度攻角）下模擬計算

所得到的馬赫數流場，在翼型最厚處，

馬赫數已經大于1（越紅越數值越大）

通常飛機或其它飛行物（比如炮彈），從頭部開始，截面積會有一個漸次增加的部分，會將迎面而來的氣流向兩側擠壓，其效果相當于減小了空氣通過的截面積。如果以飛機（或炮彈）本身為參照物，就會出現這么一個現象——在橫截面積最大的地方，兩側的流速是大于迎面空氣流速的。

所以，在飛機或炮彈的表面上，氣流最早達到超聲速的地方并不是在頭部，而是在橫截面積最大的地方。通常把物體此時的馬赫數稱為“臨界馬赫數”，根據飛行物的形狀不同，這個數字從0.6到0.9都有可能。那么氣流達到了超聲速，會發生什么情況呢？上面這幅圖同樣還是超臨界翼型RAE2822在同等條件下的模擬計算結果，只是物理量換成了溫度，也就是溫度場。對比上圖（注意流場顏色和圖例），你有何發現？

▲帶一定攻角飛行的戰機形成的“云”

從各個角度看都很漂亮！

在流速最大的地方，溫度也低了，甚至低于零度。這是因為空氣來流的能量是衡定的，速度快了，自然溫度就減小（動能增加，內能減少）。低溫同時也為馬赫數增加做了貢獻，因為空氣的聲速是與溫度是正相關的（溫度高，聲速大，反之類推）。溫度低于冰點，自然會引起水汽凝結，所謂的“音爆云”，大致就是這么出現的。

如果你看過戰機產生“音爆云”的動態視頻，就會發現這種現象會持續一段時間，速度再快就消失了。其實原因也很簡單，前面已經講過，超聲速氣流只要受到擾動就會產生激波，而飛機或者炮彈的表面，并不會是絕對光滑的，只要有一點點微小的突起或一個小縫隙，就會立即形成一道激波，這幾乎是與“云”同時產生的，這就是前面為什么說飛行物會“帶”著激波的原因。

▲某種傳統翼型的流場變化

隨著來流馬赫數的增加，

超聲速區域從中間的局部開始向頭尾擴散

最終形成前后兩道完全發展的激波

此時形成的激波被稱為“局部激波”，確實也是“局部”的。激波會帶來相反的效應——流速下降，溫度升高，當然，剛剛達到臨界馬赫數時在兩側產生的激波還比較弱，增溫有限，但隨著速度繼續增加，激波強度增加，并且位置開始前移，于是“云”很快就又消失了。

可以看出，“音爆云”產生時，飛機與靜止空氣之間的相對運動速度還尚未達到聲速，但也不能說與突破聲障毫無關系，因為“聲障”的實質是激波帶來的巨大阻力，而“音爆云”實際上是與局部激波相伴生的現象。

當然，根據其產生的原理，某些亞聲速飛機同樣會在達到臨界馬赫數時產生“音爆云”，比如最快能飛到第小時1000公里，約相當于0.8馬赫的B-52就有此本領。

▲誰說塊頭大就帥不起來的？

在超音速狀態進行機動時，飛行員將會承受巨大的壓力！美軍在1958年進行了一系列的試驗，來檢測人類的極限！下圖中的飛行員在加速到340英里（約547公里）每小時的速度后，在1.4秒內瞬間停了下來！其間飛行員承受了50G以上的壓力！

在后來的類似試驗中，飛行員最高承受了83G的巨大壓力！這個數字至今仍是世界紀錄！試驗的飛行員當場就昏了過去，本以為他會受很嚴重的傷，但是他僅僅休息了幾天就恢復正常了…

▲畢竟我們不是超人…

▲運載阿波羅11號飛船的火箭

在接近1馬赫時產生的“音爆云”

▲這朵大蘑菇都認識吧？

其實“音爆云”有一個專業術語，叫做“普朗特-格勞厄凝結云”（Prandtl Clauert condensation clouds），不只是在飛機或火箭這些飛行器上能見到，某些劇烈爆炸，比如在核試驗中也能見到這種現象。以上關于“音爆云”的粗略解釋大致能說明飛行器為什么會在在接近聲速時產生凝結云，但更為普遍的原理至今尚未明朗，仍是一個有待研究的領域。

▲客機在起降時產生的翼尖渦流會對下一架飛機產生有害影響，

所以機場的客機起降頻率不能過于密集

另外，不要把“音爆云”和渦流混淆起來，渦流有時也會被看見，看上去也是像白色的霧氣，但渦流和“音爆云”的產生原理以及外形特征都不一樣。渦流是由于飛行器表面因為某種原因（氣流撞上邊條或鴨翼，在尾部不能自然折轉補充后部空間）導至附面層發生分離而產生的，翼尖渦流則是由于機翼上下壓力差而產生的環形流動。渦流要么是環形，要么是拉長的條狀，這與通常都略呈錐形的“音爆云”有所不同。

產生渦流并不需要多么高的速度，我們平時騎上電動車就足以在身后產生渦流區了，只是看不見而已，當汽車行駛在土路上，車后飛揚的塵土，就是被渦流卷起來的。

現代戰機因為發動機要向后噴氣，對后部空間有補充氣體的作用，所以機身后部的渦流就沒有這么顯著了。當然，對于那些發動機裝在機翼上的運輸機和客機來講，同樣還存在這個問題，所以它們的尾部都是呈平緩收縮的錐形，以減小渦流阻力。