飞机、火箭等航空器在大气层中高速飞行的景象无疑是壮观的,充满了速度、力量和雄壮感。
尤其在某些环境下,飞机和火箭身上会出现一团洁白的锥形云。就像给它们披上了洁白的“婚纱”,看起来如梦如幻,让人大呼过瘾。
▲锥形音障云
通常,人们称这种漂亮的锥形云雾称为“音爆云”或“音障云”,认为这是飞行器在跨越音速时所产生的特有现象。
▲火箭头部的音障云
但事实并不是这样的。其实音障云只是众多凝结云中的一种,在合适的温度、湿度和压强条件下,即使飞行器没有达到音速,或超过音速飞行,也一样能产生漂亮的凝结云。
如B-52和B-2这种又大又重的轰炸机,并不能超音速飞行,但有时机身上也会出现白色云雾。
▲B-52身上的云雾
此外,当飞机做大迎角机动或突然加速时,在空气湿润的环境中,机身上表面也会产生白色云雾,这是另一种由涡流和压力突降导致的水蒸气凝结现象。
各种各样的凝结云都是局部环境压力降低、温度降低,导致空气中的水蒸气饱和凝结形成的。和天空中的云朵道理差不多。
▲B-2身上的云团
所以飞行器要想穿婚纱,首先就要选择湿度较大的空气环境,并营造出压力降低、温度降低的必要条件。
当然像以下这种凝结云,地球科技解释不了,只有天顶星技术或者PS高手才能实现了。
音爆云”或“音障云”,学名叫普朗特-格劳厄脱凝结云。
当飞机在空气中飞行时,每前进一步都会对周边空气分子产生扰动。空气分子本来在那里安静地晒太阳,突然就被飞机撞了一下腰。巨大的能量传来,空气分子的平衡状态立马被打破,开始振荡起来,整个空气也被压缩。
▲介质的压缩-膨胀与声波
压缩后的空气马上想膨胀,再挤压身后的空气,于是能量随着空气不断的压缩-膨胀波动传到远方,传播速度为当地的音速。声音在空气中也是这样通过纵向波传到远方的,形成声波。
当飞机速度小于音速时,空气的压缩-膨胀波动很快传到远方,不会积累。飞机前方都是没有被压缩的普通空气,压力、温度不发生变化 ,自然不会形成凝结云。
当飞机速度等于音速时,飞机与纵向波同时运动。第一团被压缩的空气刚想膨胀做功,飞机已经将下一团空气压缩。
▲激波形成
于是机身迎风面区域的压缩空气越来越密集,密度越来越大,阻力也越来越大。多个弱扰动不断累加,到某一时刻就变成强扰动,形成激波。激波是超音速飞行时的典型特征。
激波的厚度很小,激波面前的空气因为压缩得厉害,所以物理性质发生剧烈变化,温度、压强、密度都突然升高,流速降低。经过激波面后,空气压强和温度都迅速降低,其中蕴含的水蒸气达到饱和状态,便凝结成小水滴,形成白色的凝结云。
▲机头机尾形成两道激波
这种云以飞机为轴心向四周散开,到稍远处空气逐渐恢复常态,凝结云也就成了圆锥状,几乎与机身垂直或稍向后倾斜。
飞机突然急速机动或大迎角飞行时,机翼上表面的气流会发生分离,形成涡流。
▲大迎角飞行产生的白色云雾
涡流内部的压力很低、温度下降,水蒸气凝结成小水滴,在机身上表面形成白雾缭绕的景象。与音障云不同,涡流形成的云雾一般集中在飞机上表面,且比较分散,区别明显。和风漫谈原创,禁止抄袭。
还有飞机从富含水蒸气的高湿度环境中(如靠近海平面上空)突然加速掠过时,机身后部的空气压强猛然降低,大量的水蒸气也会凝结成小水滴。通常夏天空气湿度大,机身上的凝结云也会更壮观。
▲高湿度环境中的凝结云
总之,飞行器身上洁白的“婚纱”,只是温度、湿度和压强制造的局部云朵。飞机是否跨越音速并不是凝结云出现的必要条件,而只是其中的一种情况,不能以偏概全。
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