突破聲障

突破聲障

突破聲障是1740年羅賓斯提出的,阻力在聲速附近突然上升的現象。

基本介紹

  • 中文名:突破聲障
  • 外文名:Break the sound barrier
  • 提出時間:1740年
  • 發現者羅賓斯
  • 實質:阻力在聲速附近突然上升的現象
簡介,目錄,

簡介

1740年,羅賓斯進行實驗時,炮彈的時速超過820英里。即大於空氣中的聲波傳播速度(約每小時760英里),在實驗中他發現牛頓的平方阻力公式只適用於運動速度較低的情況。當運動速度比較高時,阻力的增加遠較此公式所給出的為快。有時甚至高達3-4倍,特別是在運動速度到達聲速之前,阻力出現一個非常突然的增加,過了聲速以後,阻力又開始下降,逐漸趨向正常值,這種阻力在聲速附近突然上升的現象就是所謂的”聲障”現象

目錄

1突破音障2音障的解釋
突破音障人們在實踐中發現,在飛行速度達到音速的十分之九,即馬赫數MO.9空中時速約950公里時,局部氣流的速度可能就達到音速,產生局部激波,從而使氣動阻力劇增。要進一步提高速度,就需要發動機有更大的推力。更嚴重的是,激波能使流經機翼和機身表面的氣流,變得非常紊亂,從而使飛機劇烈抖動,操縱十分困難。同時,機翼會下沉、機頭往下栽;如果這時飛機正在爬升,機身會突然自動上仰。這些討厭的症狀,都可能導致飛機墜毀。這就是所謂“音障”問題。由於聲波的傳遞速度是有限的,移動中的聲源便可追上自己發出的聲波。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,也就是衝破音障。
一個以超音速前進的物體,會持續在其前方產生穩定的壓力波(弓形震波)。當物體朝觀察者前進時,觀察者不會聽到聲音;物體通過後,所產生的波(馬赫波)朝向地面傳來,波間的壓力差會形成可聽見的效應,也就是音爆.
當飛機的飛行速度比音速低時,同飛機接觸的空氣好像“通信員”似的,以傳遞聲音的速度向前“通知”前面即將遭遇飛機的空氣,使它們“讓路”。但當飛機的速度超過音速時,飛機前面的空氣因來不及躲避而被緊密地壓縮在一起,堆聚成一層薄薄的波面——激波,激波後面,空氣因被壓縮,使壓強突然升高,阻止了飛機的進一步加速,並可能使機翼和尾翼劇烈振顫而發生爆炸。
而音障不單單僅有聲波,還有來自空氣的阻力,當飛行物體要接近1馬赫(聲速單位)飛行時,前方急速衝來的空氣不能夠像平常一樣通過機身擴散開,於是氣體都堆積到了飛行體的周圍,產生極大的壓力,也會引發出一種看不見的空氣旋渦,俗稱“死亡漩渦”這也被叫做音障,如果機身不作特殊加固處理,那么將會被瞬間搖成碎片。
音障的解釋 物體與流體發生相對運動時,會對流體產生擾動。
下面,以飛機與大氣的擾動為例,當飛機引起大氣的擾動之後,這個擾動將以波的形式向空間傳播。理想的形式為球面波。但根據相對運動原理,在1時刻飛機在地點1引起球面波1,之後飛機以v的速度前行,球面波以u的速度擴散,在2時刻飛機在地點2引起球面波2,兩者速度不變。如此積累,因為飛機始終在向前,則若干波的疊加後形狀。
以上是飛機勻速飛行的情況,若飛機加速,則情況更加明顯。 如果飛機速度沒有超音速,即v<u,則波始終在飛機之前。但當v=u時,則飛機與波開始保持靜止。飛機繼續加速,v>u時,第一次引起的擾動波將與以後引起的擾動波疊加,並始終處於飛機前部不遠處。這個不斷疊加的波就是我們通常所謂的激波了。
接近音障
第二次世界大戰後期,戰鬥機的最大速度,已超過每小時700公里。要進一步提高速度,就碰到所謂“音障”問題。
聲音在空氣中傳播的速度,受空氣溫度的影響,數值是有變化的。飛行高度不同,大氣溫度會隨著高度而變化,因此音速也不同。在國際標準大氣情況下,海平面音速為每小時1227.6公里,在11000米的高空,是每小時1065.6公里。時速700多公里的飛機,迎面氣流在流過機體表面的時候,由於表面各處的形狀不同,局部時速可能出700公里大得多。當飛機再飛快一些,局部氣流的速度可能就達到音速,產生局部激波,從而使氣動阻力劇增。
這種“音障”, 曾使高速戰鬥機飛行員們深感迷惑。每當他們的飛機接近音速時,飛機操縱上都產生奇特的反應,處置不當就會機毀人亡。第二次世界大戰後期,英國的噴火式戰鬥機和美國的“雷電”式戰鬥機,在接近音速的高速飛行時,最早感覺到空氣的壓縮性效應。也就是說,在高速飛行的飛機前部,由於局部激波的產生,空氣受到壓縮,阻力急劇增加。“噴火”式飛機用最大功率俯衝時,速度可達音速的十分之九。這樣快的速度,已足以使飛機感受到空氣的壓縮效應。為了更好地表達飛行速度接近或超過當地音速的程度,科學家採用了一個反映飛行速度的重要參數:馬赫數。它是飛行速度與當地音速的比值,簡稱M數。M數是以奧地利物理學家伊·馬赫的姓氏命名的。馬赫曾在19世紀末期進行過槍彈彈丸的超音速實驗,最早發現擾動源在超音速氣流中產生的波陣面,即馬赫波的存在。M數小於1,表示飛行速度小於音速,是亞音速飛行;M數等於1,表示飛行速度與音速相等;M數大於1,表示飛行速度大於音速,是超音速飛行
第二次世界大戰後期,飛行速度達到了650-750公里/小時的戰升機,已經接近活塞式飛機飛行速度的極限。例如美國的P-5lD“野馬”式戰鬥機,最大速度每小時765公里,大概是用螺旋槳推進的活塞式戰鬥機中,飛得最快的了。若要進一步提高飛行速度,必須增加發動機推力但是活塞式發動機已經無能為力。航空科學家們認識到,要向音速衝擊,必須使用全新的航空發動機,也就是噴氣式發動機。

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