令人煩惱的音爆是如何形成的？

2023-03-31 18:15:01 2

2000年7月25日，一架協和式飛機在起飛時發生故障，爆炸後墜毀在機場附近的一家酒店，機上100多人遇難。這空的困難導致協和式飛機永遠無法恢復。三年後，歷史上唯一一架商用超音速客機退役。

協和式飛機因多種原因而結局不佳。例如，作為一架商用客機，它的日常維護成本很高，燃料消耗率很高，而且成本仍然很高。還有一個非常重要的技術原因，那就是協和式飛機無法降低音爆，而音爆只能在海面或無人居住的地區以超音速飛行。飛行路線有限，無法進行大規模操作。

音爆問題是所有超音速客機的難題。如果這個問題得不到解決，超音速客機將很難在民用航空中佔據一席之地。

令人討厭的音爆

音爆現象早已為人們所知，但在超音速客機發展之初，人們錯誤地認為只要它們飛得足夠高，音爆的影響應該不成問題。然而，當測試一架馬赫數為3(馬赫數1 =音速的1倍)的B-70轟炸機時，這個天真的想法被粉碎了，因為在0+20，000米高度飛行的B-70(對於普通民用航空來說不超過12，000米)仍能產生強烈的音爆。

1964年7月24日，為了測試音爆對居民生活的影響，美國聯邦航空管理局和美國陸軍在俄克拉荷馬城開始了為期六個月的音爆測試。每天，超音速飛機以0以上的速度在城市上空飛行，並產生8次音爆來測量音爆對居民生活的影響。因為人們事先被告知並且知道音爆的確切時間，所以一開始他們並沒有太多的注意。一些人甚至開玩笑說，只要他們聽到了音爆，他們就知道是時候喝咖啡休息了。但沒過多久，房子的玻璃開始碎裂，牆壁破裂，市民們憤怒不已，投訴和索賠像雪花一樣飛進各級政府和主持測試的美國聯邦航空管理局。美國聯邦航空管理局收到至少15，452起投訴和4，901起索賠，但對此充耳不聞。這進一步加劇了市民的憤怒。這一事件很快發展成了政治事件。最後，市民們直接將政府告上了法庭。

俄克拉荷馬城的音爆測試使超音速飛行陷入了極度負面的輿論沼澤，這為美國、歐洲和大陸其他地方未來禁止民用航空奠定了基礎。

音爆是如何形成的？

那麼，這種令人不安的音爆是如何產生的呢？

我們知道，當飛機向前飛行時，它會壓縮前方空的空氣，形成壓力波，就像石湖中的漣漪一樣。壓力波以音速傳播。當飛機以低於0.8馬赫的速度飛行時，壓力波會飛在飛機前面，在一定程度上把前面空的氣體推開。然而，如果飛行速度上升到音速，前方的壓力波「無法避免閃光」，並將疊加。由於0+氣體被高度壓縮，水的沸點升高，0+氣體中的水蒸氣被分離成液態水，形成類似霧的「音爆雲」。音爆雲就像一條鋼索，牢牢抓住機身的突出部分，導致飛機阻力飆升。飛機就像撞上了一堵牆(此時形成的音障也被稱為「音障」)。如果飛行速度繼續上升到1.2馬赫以上，機頭將會粗暴地撕裂「緊身衣」，並在壓力波的前面運行。這時，機頭處的空氣壓急劇上升，就像在水中前進的快艇頭部會出現楔形或圓錐形的衝擊波，而圓錐形的前衝擊波也會在機頭處形成。然後壓力開始下降，當它到達尾部時，壓力下降到最低水平，顯示負壓。穿過尾部後，壓力突然恢復到正常壓力，形成後方衝擊波。因此，在突破音障之後，飛機整個機身的壓力分布呈現突然上升-緩慢下降-突然上升的N形，這通常被稱為N波。

我們知道爆炸的巨大噪音實際上是空氣體突然壓縮的結果。N形波的前衝擊波和後衝擊波也是由空氣體的急劇壓縮引起的。因此，當它到達人耳時，它發出的聲音和強烈的爆炸是一樣的。這兩個連續的「爆炸」是音爆。當超音速飛機一路飛行時，飛機前部的突出部分不斷撞擊0+氣體，0+氣體不斷靠近尾部，所以音爆一直在地面上爆炸。

目前，該行業使用「感知分貝水平」(PLdB)來測量音爆的大小。協和式飛機的PLdB水平達到105，足以擊碎地面居民的窗戶。研究人員普遍認為，對於地面空超音速飛行，可接受的值是PLdB75。

然而，這個標準並不容易達到，或者說，到目前為止，還沒有超音速商業功能達到這個標準。因此，許多國家和地區禁止客機在大陸上以超音速飛行。

如果你想出售超音速飛機，你必須保證它在陸地上的飛行速度也超過音速，否則超音速飛機就沒有市場。因此，來自世界各地的工程師正在盡一切努力消除或減少音爆，以便超音速客機能夠以更低的噪音飛行。

降低聲音爆炸的設想

早在20世紀70年代初，當研究衝擊波的特性時，美國宇航局和康奈爾大學的科學家發現，通過對飛機模型的精細設計，機身各部分產生的衝擊波的差異可以用來誘導它們相互抵消，從而最終傳遞到地面的N形波的強度可以降低，以減少音爆的影響。不幸的是，當時的計算機容量有限，這個想法無法實現。2003年，美國宇航局和國防高級研究計劃署合作重啟音爆研究計劃，驗證了這一想法的正確性。試驗表明，他們的方案可以降低音爆強度約1/3。

最簡單的方法是增加鼻子的長度。細長的機頭(飛機的最前面部分，其主要功能是調節氣流使其平滑)可以有效地將N形波轉換成一系列弱衝擊波。這降低了前衝擊波和音爆的第一聲巨響的強度。這個想法已經被應用到一系列超音速戰鬥機上，但是它在客機上的應用還處於初級階段。2006年，灣流和美國國家航空航天局聯合開發了「安靜尖峰」，最快巡航速度為1.8馬赫，採用了這一概念。「安靜尖刺」的原型是一架帶有可伸縮機頭的波音F-15戰鬥機。鼻子長24英尺(7.3米)，由碳纖維複合材料製成。在飛行過程中，機頭可以展開，成功地將前衝擊波轉化為三個小衝擊波，減少了音爆。

此外，音爆的大小與飛機的重量成正比，所以一些飛機製造商更喜歡設計小型超音速飛機。例如，由美國超音速飛行公司和洛克希德·馬丁公司聯合開發的「安靜超音速商用飛機」就是一種小型飛機。它只能容納大約10名乘客，但據說它的噪音比協和式飛機低得多，地面上的人幾乎不會注意到它。

馬赫切斷，使得音爆無法到達地面。

所有機身形狀調整的最終目標是降低前後衝擊波的強度，並將N形波轉換成平滑的S形正弦波，使不和諧的音爆變得柔和或幾乎聽不見。然而，這是一項非常困難的任務，並且根據傳統的概念，低音爆炸和飛機的高性能不能結合，也就是說，低音爆炸的設計通常不好。因此，美國雅利安航空公司決定採取不同的方法。它試圖利用馬赫截止現象來實現超音速商用飛機的無聲飛行，而不是採用複雜的外形設計來降低音爆。

音爆是無法消除的，但根據科學家的計算，當飛機的速度約為1.15馬赫，飛機的高度為10000米時，衝擊波將在約1500米的高度向上反彈(具體數值與大氣溫度和飛行高度及速度密切相關)，這被稱為馬赫數截止。衝擊波無法到達地面，人們也聽不到音爆。這種方法的唯一缺點是成本太高，目前無法推廣。

此外，美國航天局最近除了低音爆炸的設計之外，還在研究音爆積累現象，即控制超音速飛機加速和減速時形成的強烈「超級」音爆，以便只能在地面的某個地方聽到。如果位置可以準確預測，路線可以調整，這樣音爆就會發生在對人類影響最小的海洋或沙漠中。