超声速飞行时,飞机是否真的会把声音甩在后面,从而让机舱内异常安静?答案是肯定的,但不完全正确。我们可以将声音比作水波,当我们在水中前进的速度超过水波时,水波就无法追上我们。同样地,超声速飞机会将通过飞机外传播的声音甩在身后,因此机舱内会比普通飞行更加安静。
然而,这并不意味着机舱内会像无声电影一样寂静。乘客之间的对话仍然可以清晰地听见,因为机舱内的空气与飞机一同高速运动,声音在其中的传播不会受到影响。此外,发动机震动和机身与空气摩擦产生的震动,也会通过飞机结构传递到机舱内,并通过舱内空气传播到乘客的耳朵中。所以,超声速飞行的机舱内并非绝对安静,只是外部环境噪音被显著降低,而来自飞机本身的噪音依然存在。
超越“音障”:理解激波“音障”这个词如今已很少出现在专业文献中,它并非指某个具体的物理现象,而是过去人们对飞机接近声速时遇到的一系列问题的统称,例如阻力剧增、操纵性下降等。随着超声速飞行技术的成熟,“音障”的概念逐渐被更精确的“激波”所取代。飞机在飞行过程中会扰动周围的空气,产生向四面八方传播的扰动波(也就是广义的声波)。当飞机速度达到声速时,这些扰动波会叠加在一起,形成能量更强的激波。超声速飞行时,激波的形状呈圆锥形,被称为马赫锥。如果激波足够强,传到地面时就会产生巨大的声响,这就是所谓的“音爆”。需要注意的是,音爆并非只在飞机跨越声速的瞬间产生,只要存在足够强的激波,就会产生音爆。
解读马赫数与激波如何通过照片判断气流的马赫数?飞机高速飞行时,有时会在其周围形成清晰可见的锥形云,即普朗特-格劳厄脱凝结云。这种云的出现往往伴随着激波,因为激波会导致空气压力剧烈变化。通过测量锥形云边缘与空气流动方向的夹角(马赫角),就可以计算出该处气流的马赫数。具体方法是:计算马赫角的正弦值,再用1除以该值,即可得到马赫数。
需要注意的是,通过这种方法计算得到的是特定位置气流的马赫数,而非飞机的马赫数。由于飞机周围的气流速度并非均匀分布,因此飞机不同部位的气流马赫数可能各不相同。即使飞机的马赫数小于1,机身或机翼的某些部位的气流马赫数也可能已经超过1,反之亦然。这就解释了为什么飞机的跨声速是一个马赫数范围,而不是一个精确的数值。这个范围涵盖了从飞机部分区域超过声速到绝大部分区域超过声速的整个阶段。