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常识科普:奥秘的“激波”究竟是什么?
2020-02-14 22:03:29

国庆70周年的时候,阅兵展出的“东风-17”高超音速弹道导弹可以说是吸足了眼球。而这种造型充满了科技感超标电动车的导弹本质上是一种被称为“乘波体”的飞行器,说的直白一点儿,就是“乘坐在激波上的飞行体”。换句话说,这种被称为“激波”的东西托起了东风-17导弹。

70周年阅兵展出的东风-17

除了“乘波体”外,激波常识科普:奥秘的“激波”究竟是什么?在航空、航天领域并不少见,比如说战斗机在超音速飞行的时候就会在飞机周围引起“激波”,拍摄的照片甚至于都能够观察到这些“激波”扭曲了飞机周围的光线。

飞机跨音速飞行的时候产生的“激波”

那么这种神秘的被称为“激波”的现象到底是什么?又是怎么产生的呢?且听我慢慢讲来。

空气是有“弹性”的物质

我们说空气是有弹性的,并不是在说空气可以像橡皮筋一样伸缩变化,而是说气体内部可以发生局部的“收缩-恢复”变化。比如说“声音”实际上就是空气疏密变化产生的波。

声音的本质就是空气局部的收缩-恢复

如果我们拿一串弹簧和小球出来比喻空气,那么就是拨一下最左边的那个小球,小球会带动右边的小球,然后这样的运动会依次向右传递,形成一个传播的效果,但是传播过程中小球本身只是在原来位置的附近震荡,并不会移动,而且“一次”波动带来的是一个“波”

用弹簧和小球可以理解空气的弹性和声波的传递

但是显然的,这个“波”的传递速度不是无限快的,因为每个小球都有惯性,一个力推动小球开始运动,小球的速度变化程度是不一样的。同时这些弹簧的刚度不同,收缩过程产生的力也不相同。所以,“波”在空气中的传播速度是有限的,这就是我们所说的“音速”

扰动超过音速会带来气体性质的剧烈变化

当一个物体在空气中运动的时候,如果我们放大去看,就会发现这个物体是不断地在跟气体分子碰撞。而这一次次产生的碰撞就会在空气中产生“扰动”,根据上文的分析,这些扰动会以波的形式传播开来,而这些振动波的传播速度是音速。

当物体运动速度小于音速的时候,这一次次的扰动都有条不紊地向四周扩散开去,就好像一道道波纹排着队向远方走去。而每一个空气中的分子在传播完一次波动之后还能回到自己原先的位置,等待下一次的振动

但是这个时候问题就来了:如果这个扰动源移动的速度跟音速一样快,甚至于比音速还要快会怎么样呢?

我们可以想象一下两个画面:

第一个画面。你的面前放着10个相距1厘米的球,你往前前进了1厘米,然后你把第一个球往前挪了常识科普:奥秘的“激波”究竟是什么?1厘米,又把第二个球往前挪了1厘米……以此类推。这样一来,你不管往前进了多远,这十个球之间的平均距离没变(密度没变)。

第二个画面。你的面前放着10个相距1厘米球,你往前前进了1厘米,然后你把第一个球往前挪了1厘米,但是这个时候你又往前进了1厘米,带动第一个球、第二个球同时也往前挪了1厘米……所以当你前进了10厘米的时候,你发现所有的小球都在你的脚下了(密度瞬间增大)。

这两个画面就分别说的是小于音速和等于音速的时候空气中分子发生的变化。

简单说,就是因为物体对于气体分子的挤压根本不容许挤压的效果传播开来(因为挤压的速度已经超过了挤压效果传播的速度)所以在这个过程中气体会被激烈地压缩

而由于空气的折射率会因为密度发生改变,因此拍照片的时候可以非常清晰地看到激波的“波常识科普:奥秘的“激波”究竟是什么?面”形状。

拍摄到的激波的形状

通俗点儿讲,所谓的激波,就是“趁气体分子不注意瞬间把他们堆到了一起”,而这就是激波的本质。

我们经常会在科普文章中看到下面的这张图,其实这张图就是在说,当飞行速度比较慢的时候空气的扰动会传播得到处都是,所以空气虽然也会产生流动,但是本身的性质变化却不剧烈,而飞行速度等于、超过音速的时候,这些扰动的效果会叠加起来造成空气的剧常识科普:奥秘的“激波”究竟是什么?烈变化。

经常被用来解释激波现象的图片

总结一下

激波产生的本质原因在于气体有弹性、可以被压缩,当外界对于气体的压缩速度快到压缩的效果都来不及扩散到周围环境中的时候,这种压缩效果就会变得非常剧烈和集中,就形成了所谓的“激波”现象。

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