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当飞机超过音速时会发生什么

协和式飞机当然是一款令人难忘的飞机。它可以以超过音速两倍的速度飞行,将伦敦到纽约的航班减少到三个小时以内。不过,超音速飞行会产生音爆。这限制了协和飞机的运营,并且在下一架超音速飞机升空时可能会再次这样做。

飞得比声音还快

超音速飞行于 1947 年首次实现,使用美国军用原型贝尔 X-1 飞机。当然,这在军用飞机上已经很普遍,但只有两架商用飞机曾经管理过它。

协和飞机从 1976 年起在英国航空公司和法国航空公司服役了 27 年。尽管最初选择了来自 18 家航空公司的约 100 架飞机,但只有 14 架飞机进入了这两家航空公司的服务。

对于这样一架大型飞机来说,达到超音速是一项令人印象深刻的工程成就。该设计adaptions包括三角翼设计,具有加力到再热排气,可调节鼻,以减少阻力,并且反光漆偏转热改进涡轮喷气发动机。

唯一的其他商用超音速飞机,图波列夫 Tu-144,在协和式飞机之前发射,但没有那么成功。它的效率甚至更低(在整个飞行过程中都依靠加力燃烧室来实现超音速飞行)并且只服务于一条商业航线,从莫斯科到阿拉木图。1978 年,Aeroflot 在坠机事故后终止了客运服务。之后,该机用于研究和货运飞行,最终于1999年退役。

打破音障

超音速飞行的特征之一是当飞机超过音速时发生的“音爆”。这种巨大的噪音一直是超音速飞机的严重限制,许多国家(包括美国)不允许超音速飞机在陆地上空飞行。

这不仅仅是在飞机实际通过障碍物时发生的瞬时声音。它在超过音速后连续,尾随飞机。尽管随着速度的增加,冲击波的“锥体”会收紧,从而减少对地面的影响。

当飞机达到音速或 1 马赫(相对于周围的空气,而不是地速)时,就会发生音爆。声速随高度和温度而变化。在海平面和标准大气条件下,声速为每秒 345 米(相当于 770 英里/小时或 1239 公里/小时)。在 35,000 英尺处,这可以减少到每秒 295 米左右(660 英里/小时或 1062 公里/小时)。

当然,能够突破音障并产生音爆的不仅仅是飞机。来自枪的子弹,或爆裂的鞭子,可以产生同样的效果。

暴涨是如何发生的?

移动的飞机在向各个方向前进时会产生声波。在较低的速度下,它们比飞机的飞行速度更快。当它接近 1 马赫时,飞机前方的波浪会累积并压缩,从而增加压力。这种压力会产生额外的阻力,飞机必须克服或“突破”。

当波浪压缩成单个冲击波时,就会发生繁荣。当这种高压冲击波到达地面时,这会产生巨大的轰鸣声。音爆实际上是双爆音。这是因为当听到最初的高压冲击波时会发出一声巨响,而当听者的压力恢复正常时会发出一声巨响。

超音速不突破音障

有可能在不打破音障或经历这种音爆的情况下以超过音速的速度飞行。当大气条件和风导致更高的地速时,就会发生这种情况。正是通过空气的速度导致了音爆。因此,如果一架以 600 英里/小时的速度飞行的飞机遇到 200 英里/小时的顺风,它会超过相对于地面的声速,但不会超过相对于空气的声速。

这正是 2019 年 2 月发生的事情,当时维珍大西洋航空公司的一架航班报告了非超音速飞机有史以来最快的速度——在顺风的推动下。同样,英国航空公司利用 2020 年席亚拉风暴期间的顺风,使用波音 747 进行了迄今为止最快的亚音速跨大西洋飞行。

再次打破壁垒

在协和式飞机退役后的漫长等待之后,商用飞机可能很快就会再次超音速飞行。几架飞机正在开发中,最快可以在 2029 年将超音速旅行带回航空公司和私人航空。

最领先的是带有 Overture 飞机的 Boom Supersonic。这将是一款高级客舱飞机,容量为 65 至 88 英里,航程可达 4250 海里(4888 英里)。一个原型飞机已经发展已经,并且订单已经放置飞机。其中包括从美国联合航空公司订购的最多 50 架飞机。

总部位于波士顿的 Spike Aerospace 已经发布了一款商务喷气式飞机的计划,该商务机可容纳 12 至 18 名乘客,速度为 1.6 马赫,航程要远得多。

展望未来,正在进行实验以开发一种可以在不产生音爆的情况下运行的超音速飞机。这将为超音速旅行开辟更多的路线。洛克希德马丁公司正在与 NASA 合作开发 X-59 QueSST(静音超音速技术)超音速喷气式飞机。这是针对 2021 年的试飞,但已被推迟。