音障

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音障,也被称为声障。这是一种物理现象,也是20世纪40年代出现的一个航空术语。当飞行器的速度达到声速左右时,会有很强的阻力,引起强烈的振荡和速度衰减。这种现象通常被称为音障。 音障现象形成 音障,又称声障,是一种物理现象。如果飞机以低于声速的速度飞行,它所引起的空气分子的振动,即声音通过将一个分子推到另一个分子上,以声速逐层向各个方向传播。当飞机到达时,飞机前面的空气分子已经处于运动状态,使飞机很...

音障概念

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音障,也被称为声障。这是一种物理现象,也是20世纪40年代出现的一个航空术语。当飞行器的速度达到声速左右时,会有很强的阻力,引起强烈的振荡和速度衰减。这种现象通常被称为音障。

声障

音障现象形成

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音障,又称声障,是一种物理现象。如果飞机以低于声速的速度飞行,它所引起的空气分子的振动,即声音通过将一个分子推到另一个分子上,以声速逐层向各个方向传播。当飞机到达时,飞机前面的空气分子已经处于运动状态,使飞机很容易通过它们。但如果飞机的飞行速度与声速相同,那么位于飞机前方的空气分子就处于静止状态。当飞机到达时,这些空气分子被迫移动,但它们前面的分子也是静止的。结果,飞机前方的空气被层层压缩,形成了一道看不见的墙,阻碍了速度的增加。这里的空气密度增加,压力也增加,温度也增加,这在航空术语中被称为冲击波。冲击波的形成是超音速飞行的一个典型特征。冲击波增加了空气对飞机的阻力,造成强烈的振荡和速度衰减。这种由声速引起的障碍通常被称为音障。

音障现象发现

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音障是20世纪40年代出现的一个航空术语。在第二次世界大战期间,战斗机的设计已经相当成熟,尽管直翼仍然使用。当时,单台发动机的功率已超过一千马力(1马力=735.499瓦),飞机的水平飞行速度已达到声速的一半;潜水时,可超过0.7倍声速。但由于技术要求,速度还需要进一步提高。然而,当飞机速度达到800KM/h时,发现飞机有自发的机头俯冲和强烈的尾翼振动,这给飞行员带来了困难,并存在破坏整个飞机的风险。自发俯冲是由于翼面附近出现相当大的超声速区,翼面吸力区(又称负压区)明显向后膨胀,导致压力中心明显向后移动,产生明显的向下转矩。机翼表面的局部超声速区域被激波包围,激波又导致机翼表面边界层分离;分离气流非常不稳定,撞击尾翼会引起尾翼颤振。也就是说,当飞机的速度超过或接近声速时,空气会产生“压缩效应”,将机头前方的空气压缩成一个高密度的、飞机难以克服的“空气墙”,这就是所谓的“音障”。随着飞机外观设计的不断改进,例如采用更小展弦比的后掠翼和更薄的翼型,以及生产更高推力的喷气发动机,音障已经成为一个历史名词。

现象解释

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声速随高度和温度而变化。近地面声速高,高空声速低,海平面声速为每小时1227公里,温度为15℃。然而,在10000米的高空,声速只有1080公里每小时,也就是所谓的“1马赫”。为了更好地表达当时飞行速度接近或超过声速的程度,科学家们采用了一个反映飞行速度的重要参数:马赫数。它是飞行速度与当地声速的比值,缩写为m数。M数是以奥地利物理学家马赫的姓氏命名的。马赫在19世纪后期对子弹和子弹进行了超音速实验,第一个发现了超音速气流中扰动源产生的马赫波的存在。m数小于1,表示飞行速度小于声速,表示亚音速飞行;M = 1,表示飞行速度等于声速;如果m数大于1,说明飞行速度大于声速,说明是超音速飞行。

音障

接近音障

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一架速度超过每小时700公里的飞机,由于迎面而来的气流通过飞机表面时,飞机表面的形状不同,因此可能会经历更高的700公里每小时的局部速度。当飞机飞行速度加快时,局部气流速度可能达到声速,产生局部激波,造成气动阻力显著增加。这种“音障”一度让高速战斗机飞行员深感困惑。每当他们的飞机接近音速时,在飞机的控制中就会有一种特殊的反应,而不当的操作可能导致飞机的破坏和死亡。在第二次世界大战后期,英国的“喷火”战斗机和美国的“霹雳”战斗机在接近音速的高速飞行时,首先感受到了空气的可压缩性效应。当飞行速度接近声速时,螺旋桨叶片尖端的运动速度将超过声速,导致螺旋桨性能迅速下降;机翼和机身表面的气流也变得非常湍流,使飞机难以控制。当时,活塞式发动机和螺旋桨驱动的飞机性能已经达到极限。航空科学家已经意识到,为了以声速撞击,必须使用一种全新的航空发动机,即喷气发动机。

突破音障

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在第二次世界大战后期,战斗机的最高速度超过了每小时700公里。为了进一步提高速度,人们会遇到所谓的“音障”问题。当飞机超过1马赫时,我们称之为突破音障。此时,飞机周围的水凝结成水滴,形成白色的光晕。同时,由于声波受到压缩,产生音爆现象。

第二次世界大战后,突破音障成为航空研究的热点问题。美国对超音速飞机的研究主要集中在贝尔X-1超音速火箭动力研究飞机上。开发x - 1的最初意图是创造一种飞行速度略超过音速的飞机。x - 1飞机的翼型非常薄,没有后掠角。它由液体火箭发动机提供动力。由于飞机可携带的火箭燃料数量有限,火箭发动机工作时间短,无法利用X-1自身的动力从跑道上起飞。相反,它需要挂在B-29“超级堡垒”重型轰炸机的机身下,然后吊到空中。起飞前,飞行员已经坐在x - 1的驾驶舱里。在高空飞行后,轰炸机像扔炸弹一样扔下了x - 1。在x - 1离开轰炸机后,他启动了火箭发动机,在滑翔时加速飞行。X-1在1946年1月19日进行了第一次空中投掷试验;同年12月9日,使用x - 1的原型机进行了第一次火箭动力的空中试飞。第二次世界大战后,突破音障成为航空研究的热点问题。1947年,x - 1第一次超音速飞行成功。1947年10月14日上午,美国试飞员耶格尔在美国南加州驾驶X-1飞机时成功地与B-29飞机分离。随后,他驾驶X-1飞机飞到12000米的高度,飞行速度为每小时1066公里,相当于M1.015。耶格尔成为航空史上第一个突破“音障”的人,把他的名字写进了航空史的编年史。人类首次突破“音障”后,超音速飞机的研制进程加快。超音速纪录在1962年达到顶峰,美国人设计的X-15飞机达到了惊人的6马赫(每小时6838公里)的速度;此外,这款飞机模型也是航空史上著名的高空冠军,能够飞到海拔100公里的高度。X-15飞机创造的记录一直保持到今天。X-15计划是美国早期的载人航天计划,甚至是后来的阿波罗登月计划,积累了极其宝贵的实验数据;其超越时代的优越性能也模糊了航空与航天的界限。

消除音障

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飞行器

如果飞机想要突破这道墙,就必须消耗数倍的能量,而且飞机机身所用的材料必须更坚固、更耐热,否则可能会破坏飞机结构。为了安全突破飞机的“音障”,各国研究机构提出了许多策略:通过调整飞机的气动布局,将气动中心向后移动,增强飞机的纵向稳定性;研制新型涡喷发动机,降低涵道比,进一步提高战斗机功率;在超音速飞行中切换到后掠翼型以减少阻力,等等。在超音速飞行状态下,对飞行员的抗载能力和操作能力提出了更高的要求。

真空管列车

真空管列车之所以能比飞机快得多,关键不在于车辆本身的先进设计,而在于道路的设计。我们知道,无论车辆是在地面、轨道上行驶,还是在空中行驶,它所消耗的很大一部分动力都是用来克服空气阻力的,而且速度越快,空气阻力越大。当车辆的速度接近声速(约340米/秒)时,车前的空气由于没有足够的时间分散而被压缩,导致密度和温度突然升高,极大地阻碍了车辆的向前运动。这就是让研究人员非常头疼的音障。高速列车的速度越快,噪音越大,对环境的影响也越大。当它的速度超过声速时,它甚至可以产生可怕的声音爆炸。因此,目前运营的地面运输车辆很少超过每小时500公里的商业运营速度。为了发展超音速运输,克服音障和爆炸是一个重要的问题。从理论上讲,解决这个问题很简单,就是消除阻碍运输工具运动、产生音障和爆炸的空气。也就是说,通过允许运输在真空中进行,速度可以变得更快,达到声速的几倍。最早提出真空管列车概念的研究人员是美国的达里尔·奥斯特。1997年,他提出了相关概念并申请了专利。

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词条目录
  1. 音障概念
  2. 音障现象形成
  3. 音障现象发现
  4. 现象解释
  5. 接近音障
  6. 突破音障
  7. 消除音障
  8. 飞行器
  9. 真空管列车

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