為什麼音障出現在音速附近，是巧合嗎？

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在網上搜索的結果表示，音障和音速似乎並沒有直接聯繫？那麼音障出現在音速附近（約0.9馬赫）是巧合嗎？還是有其他的原因？

#科普貼#看不懂你砍我

我準備把超音速的這些事兒系統地說一下，內容涵蓋激波、音障、音爆雲、後掠翼、超臨界翼型、熱障、真實氣體效應等內容，全文無公式，盡量不扯專業術語，本文可回答知乎上以下問題：

什麼是激波？怎麼產生的？他有什麼應用？激波效應什麼？

螺旋槳飛機如果動力足夠，能否超音速？

為什麼戰鬥機在突破音速的時候會有音障?

為什麼當飛機突破音障時機身周圍形成類似雲團的煙霧？這團物質是什麼？為什麼會形成？

1，為什麼飛行速度要與音速扯在一起？

一般情況下，我們用亞音速，超音速，高超音速，2倍音速等這類辭彙來形容飛行速度，而非像汽車火車那樣用km/h來具體表示速度。為什麼呢？

先來看一下下面這張圖：

車的周圍到處都存在著氣體，別的氣體我們不管，只關心小車前面的這部分氣體。假如小車向左運動，前方的這團氣體會被小車推開。

假如，把這團氣體被小車推開的過程放的很慢很慢，會看到什麼？

會看到，這團氣體先是被車擠壓，然後再恢復原狀，彈開。就像是一個足球一樣有彈性。

這團氣體先被壓縮，再恢復原狀的過程很迅速，但是還是需要一定的時間。

假如，小車極其快，無限快，要多快有多快，快到氣體還沒來得及恢復原狀，就又被小車繼續擠壓。同時，這團被擠壓的氣體後面，還有另外的氣體也被擠壓，形成一連串的來不及恢復原狀的壓縮氣體，堵在小車前方。

那麼，小車得達到什麼樣的速度才能使氣體來不及恢復呢？答案是音速。

聲音傳播，靠的就是空氣的壓縮與復原，空氣壓縮再復原的速度就是音速。

所以，音速就是一個很特殊的速度，飛行速度要與音速做對比。

2，什麼是激波

飛行速度到達音速後，飛機前方的空氣不斷被擠壓缺來不及復原，密度會突然增大，而飛機兩側的空氣並沒有被擠壓，密度並沒變。兩種不同密度的空氣之間會有一個明顯的分界線，這就是激波了。大概長這樣：

飛機前方几條三角形的類似於水波的東西就是激波。

這是子彈模型前面的激波。

3，什麼是音爆雲？

先說一下音爆。上文提到，飛行器達到音速以後，會在前方產生激波，激波是密度特別大的一團壓縮空氣，擋在飛機前面，飛機飛過，會有聲音，聲音是靠空氣壓縮膨脹傳播的，假如傳播聲音的這團空氣突然被壓縮，聲音也會突然壓縮聚集累積，空氣迅速釋放，聲音也會迅速釋放，此時會產生特別大的類似於爆炸的聲音，這種現象叫音爆。協和客機在天上飛著，地面上都能聽到巨大的聲響。有些人還說震碎了地面上的玻璃。（駕駛艙里的飛行員是聽不到的，因為超聲速了，把聲音甩在了後面）

炸藥爆炸產生的爆炸聲也是這麼來的，炸藥燃燒瞬間，迅速壓縮周圍空氣，來不及復原，空氣聚集到一起，聲音也聚集在一起，同時釋放，就會產生爆炸聲。甩鞭子的時候，鞭尾速度很大，達到音速，就會產生很響亮聲音，這也是音爆。小小的鞭子產生的音爆都聲音這麼大，飛機產生的音爆震碎玻璃也可以想像了。

空氣中的水蒸氣在這種條件下，會凝結成小水滴，外表看來，就像一團霧一樣。很漂亮。

補充一句：音爆肯定有，音爆雲得看運氣。

4，什麼是音障

前面說過，飛行器到達音速以後，由於飛行器前面的空氣來不及回復原狀，會一直處於壓縮狀態，而且是層層壓縮，疊在一起，會使密度突然增大。這樣就面臨兩個問題，一是阻力太大，動力不足，二是飛行器本身會遭到破壞。可以設想一下，把一個臨近音速的飛行器突然從天上飛到大海里是什麼感覺。

在以前，飛機是依靠螺旋槳產生向前的拉力來維持飛行的，如下圖所示：

人們想要這種飛機超音速，瘋狂加大發動機動力，結果發現飛機會出現失控或者空中解體的情況。

這是因為雖然飛機還沒到達音速，但前面的螺旋槳轉速已經到達音速了，到達音速就會產生激波，意味著阻力會突然增大。此時發動機動力不足以繼續提供足夠的動力使飛機繼續加速。即使發動機動力足夠大，螺旋槳也會因為阻力太大而折斷。

面對這種制約，前人們陷入窘境，認為音速不可超越，稱之為音障。

5，為了提高飛行速度、解決音障，採取過哪些措施？

措施一：先把螺旋槳摘掉

飛機飛行速度還遠遠沒有到達音速的時候，螺旋槳轉速就已經接近音速，嚴重製約飛機的飛行速度。那索性把螺旋槳替換掉。換成噴氣式發動機，「推著」飛機向前飛。如下圖所示：

此時飛機速度與原來相比，提高了很多。

措施二：使用後掠翼

把螺旋槳飛機改成噴氣式飛機以後，雖然速度提高了不少，但仍然面臨一些問題。

飛機的機翼剖面如下圖所示：

空氣流過機翼上表面會加速，假如空氣靜止不動，飛機以50m/s的速度飛過，空氣相對於機身的速度也為50m/s，但是，此時空氣相對於機翼上表面的速度會大於50m/s，也就意味著，飛機還沒有達到音速的時候，流過機翼上表面的空氣速度已經達到音速了，達到音速就會產生激波，引起阻力突然增大。

為了使流過機翼上表面的飛行速度降下來，人們把飛機改為後掠翼，下圖所示。

後掠翼最大的優點在於：可以使飛機的飛行速度大於空氣與機翼的相對速度。其解釋也很簡單，需要用一下速度的分解，如下圖：

顯然，豎直方向的空氣速度（即飛行速度）是大於空氣流過機翼的速度的。

更新：經評論區提醒，後掠翼也具有使機翼藏在激波後面的作用。可以通過上文激波的流動顯示圖片中的第一張圖片看出。

措施三：改變機翼剖面形狀

上一條措施中提到：空氣流過機翼上表面的速度要大于飛機的飛行速度，為了解決這個問題，採用後掠翼代替平直翼。同時，還可以改變機翼剖面的形狀。

空氣流過機翼上表面會加速，就是因為上表面是「弓形」的隆起。為了把上表面的速度降下來，那就把這個弓形隆起削平，然而不幸的是，上表面沒了弓形隆起，機翼升力就不夠了。為了顧及升力，就把機翼尾緣的下表面掏空，重新形成一個弓形凹陷。改進後的翼型叫「超臨界翼型」，如下圖：

措施四：利用面積律來優化機身形狀

面積律這個東西真不好給外行人解釋。用很粗糙的大白話來解釋就是：飛行器快到達音速的時候，受到的阻力與飛行器的橫截面積之間有一個一一對應的關係。

假如我想設計一架飛行速度為1倍音速的飛行器，我根據可以根據飛行速度來確定飛機的橫截面積應該取多大值，才能使飛行器所受到的阻力最小。確定了橫截面積，我就可以設計飛機的機身了。

總結：從亞音速狀態過渡到超音速狀態，產生激波，阻力增加是不可避免的，這對於飛機的動力和強度來說算是一個考驗。以上措施是為了把跨音速這個艱難過程給儘可能的縮短，儘快突破音障。

打個比方說，螺旋槳飛機飛到0.5倍音速，螺旋槳尖部就已經到達音速，開始產生激波，阻力增大。繼續提高動力，螺旋槳尖部跨過音障了，但是靠近圓心的地方又開始達到音速，又開始產生激波，總之，從0.5倍音速，到機身達到音速以前，飛機一隻都在跨音速，過程及其漫長，飛機扛不住。

以上措施，噴氣飛機取代螺旋槳飛機，後掠翼取代平直翼，等措施，全都是為了不讓飛機其他地方提前到達音速，推遲激波的到來，等機身整體到達音速後，在一個極短的時間內完成超過音速。

超過音速，就輕鬆太多。

補充：為什麼飛機超聲速以後就沒有激波阻力了？

飛機以亞聲速飛過，壓縮前面的空氣，空氣恢復原狀，以比飛機快的速度跑掉了。

飛機到達聲速，壓縮的空氣沒辦法恢復原狀，在飛機前累積，形成激波，引發阻力。

飛機超過聲速，前面的空氣被壓縮，然而這種具有阻力的壓縮空氣跑得比飛機慢，無法擋在飛機前面，無法形成激波阻力。就好比是：正常的空氣是沒辦法提供激波阻力的，只有層層壓縮的空氣才可以提供激波阻力。飛機往前飛，壓縮了前面的空氣後，就跑掉了，壓縮後的空氣追不上，無法提供激波阻力。跑掉以後，繼續壓縮前面的新的空氣，壓縮完繼續跑。