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战机怎么飞出音爆云的?B-52:我也可以!F-35:我能飞俩

战机怎么飞出音爆云的?B-52:我也可以!F-35:我能飞俩
2021年01月23日 17:07 新浪网 作者 阿米说历史

  我们见过图-95拨开一道“云河”,见过战机变幻出一团白雾,甚至纳闷核潜艇在海啸时会不会被卷走,武器和自然现象联系在一起的时候的确让人想入非非。

  

  飞机是人类历史上最伟大的发明之一,这种现代工业的结晶除了让人类实现了摆脱地心引力、展翅翱翔蓝天的梦想,还因其特殊的工作环境和工作原理而产生了很多神奇的效果。在很多图像和视频资料里,我们往往会看到高速飞行的飞机在机身中部周围出现一片圆锥形的“云朵”,这片云雾外形相当规整,看起来如同飞机正在穿越“结界”、又像是给飞机安装上了一面“盾牌”。由于这种现象往往出现在跨音速飞行时,并伴随着飞机突破“音障”而产生的巨大的爆破声,人们往往将其称作“音爆云”。而“音爆云”的产生,还有着在物理学上相当独特的学问呢。

  

  这是F-35飞出音爆云的画面,还不是飞出一个,这一下就是两个音爆云。这种情景不多见,同时飞出两个音爆云有偶然因素。这和机体的设计有关,尤其是F-35进气口比较突出,加上机头飞行员座舱凸起,也有可能在机身座舱后部整机前部形成音爆云。那么,音爆云到底怎么产生的呢?战略轰炸机能不能飞出音爆云?

  

  所谓的“音爆云”,学名叫做普朗特-格劳厄脱凝结云。谈到普朗特-格劳厄脱凝结云,就不得不先说说激波。气体在超音速运动时,会产生压缩效应,此时气体的密度、温度、压力、速度等特性会急剧变化,当气体运动速度大于音速时会被剧烈压缩、并形成物理特性与周边的气体差异极大的区域,这就是激波。高速飞行的飞机会带动空气高速流动,因此会在飞机周边一定范围内带动空气随之高速运动,飞行中的激波由此产生,激波产生的区域即为激波面。飞机在跨音速飞行时,激波面附近的空气因急剧压缩而导致机身后部附近出现低气压区域,在气压差足够大时就会导致水蒸气凝结,此时便出现了普朗特-格劳厄脱凝结云。

  

  从形成原因来说,普朗特-格劳厄脱凝结云由激波产生,因此形成激波是普朗特-格劳厄脱凝结云的先决条件,而普朗特-格劳厄脱凝结云则可以视为激波的一种具体现象。通俗一点来说,空气中的水蒸气就像十分蓬松、四处飘飞的棉絮,看上去十分稀松;而高速飞行的飞机产生的激波就像一只按压棉絮的手,能把稀松的棉絮按压成密实的棉花团,两者的视觉效果当然差别很大。除飞机外,火箭、导弹等其他在空气中高速运动的物体也能产生普朗特-格劳厄脱凝结云,但因飞行速度、飞行姿态和飞行器体积的差异,除飞机外其他飞行器产生的普朗特-格劳厄脱凝结云更难被观察到,出现几率也更低。

  

  “昙花一现”经常被用于形容美好但短暂的事物,这个成语用于形容普朗特-格劳厄脱凝结云恰如其分。普朗特-格劳厄脱凝结云现象虽然在视觉上很壮观,但持续时间很短,往往只能持续数秒,这是由于飞机在高速飞行时产生的激波并不是恒定的,而是随着距离的增加快速消散。在飞机维持一段时间的高速飞行状态时,由加速状态所产生的激波也就随之消失,这时候也就没有了产生普朗特-格劳厄脱凝结云的条件。

  不过,虽然普朗特-格劳厄脱凝结云现象通常出现在跨音速飞行时,但这种现象并非仅仅能由超音速飞机在跨音速飞行时产生。普朗特-格劳厄脱凝结云由激波产生,而激波是空气分子被挤压加速到超音速运动所致,因此只要空气分子速度足够快,无论飞机处于超音速、跨音速还是亚音速都会产生普朗特-格劳厄脱凝结云——这听起来比较违背常识,但并不难理解:飞机飞行时产生的激波,不仅仅可能是因飞机超音速飞行扰动空气使飞机周边的空气运动速度超过了音速,也有可能空气本来就具有一定的运动速度、而飞机的扰动对其产生了加速作用、使之达到了产生激波的条件。

  另一方面,导致普朗特-格劳厄脱凝结云出现的原因除飞行器高速飞行产生激波外,空气中水蒸气的含量也是十分重要的因素。这一点不难理解,普朗特-格劳厄脱凝结云本质上是水蒸气的凝结,因此水蒸气占空气比例越大的区域,在其他条件相同的情况下就越容易产生普朗特-格劳厄脱凝结云。我们平时看到的普朗特-格劳厄脱凝结云照片以舰载机飞行产生的居多,正是由于舰载机经常在海洋上空飞行、空气中含水比例比陆地上空更高所致。也正是因为这个原因,有幸目睹普朗特-格劳厄脱凝结云实属不易——毕竟对于大多数人而言,能在海洋上目击舰载机高速飞行的机会并不多,而且就算经常看到舰载机飞行,也不见得总能见到普朗特-格劳厄脱凝结云。

  

  所以,如果目睹到像B-52H一类明显不能超音速飞行的飞机周边出现了普朗特-格劳厄脱凝结云,千万别以为自己的眼睛出了问题,更不要怀疑这架飞机运用了什么黑科技使飞行速度超过了音速,这只是在相对特殊的空气条件下产生的特殊物理效果,虽然少见但并非不符合基本物理定律。当然,无论怎么说,飞机确实是在跨音速段飞行时更容易比高亚音速产生激波,因此大部分的普朗特-格劳厄脱凝结云还是由可以超音速飞行的飞机产生的。此外,水蒸气的含量在不同海拔高度也有差异,总体来说海拔越高空气中的水蒸气含量越低,因此通常普朗特-格劳厄脱凝结云只会在低空出现,在高空中出现几率很低。

  

  需要注意的是,虽然普朗特-格劳厄脱凝结云由飞机高速飞行产生,但并不是所有飞机在飞行中产生的水蒸气聚集凝结都是普朗特-格劳厄脱凝结云。飞机在大迎角飞行时,会产生低压脱体涡流,这种涡流的内部会也会产生水汽凝结现象、形成类似云雾的效果,看起来与普朗特-格劳厄脱凝结云有些类似。区分二者的方法也很简单,普朗特-格劳厄脱凝结云通常出现在机身中部、并垂直于机身,而低压脱体涡流水雾则出现在机身或机翼表面、视觉效果类似于“拉烟”,水雾效果也不如普朗特-格劳厄脱凝结云浓密。另外,低压脱体涡流水雾基本上只会在大迎角飞行时出现,而普朗特-格劳厄脱凝结云出现时飞机大多处于平飞状态。所以,不要看到飞机周围出现凝结云就认为是“音爆云”,还要根据凝结云的特性和飞机的飞行姿态进行判断。

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