音速震波解析／灌氣馭震波 超音速飛行成真
2011/05/09 【聯合報╱記者程嘉文】[img]http://mag.udn.com/magimages/4/PROJ_ARTICLE/0_0/f_317378_1.jpg[/img]
美國海軍F-18戰機出現「普朗特-格勞厄脫效應」，在機身四周出現裙襬狀的雲霧。 （取自網路）
物體高速飛行時產生的震波，最早在1878年由奧國物理學家馬赫（Ernst Mach，1838~1916）觀察記載，後來為了紀念他，音速的單位就以「馬赫」稱之。
隨著20世紀初萊特兄弟發明飛機，幾十年下來飛機愈飛愈快。但在螺旋槳戰機的末期，以及初期噴射機時代，人們發現飛機接近音速時，飛機前方「擠出」的震波，使得阻力加大，飛行變得不穩定，因此有「音障」（Sound Barrier）一詞出現，認為很難突破音速。
直到1947年，美國空軍的試飛員葉格，利用一架火箭動力的X-1實驗機，達到突破音障的目標。
科學家從X-1的經驗發現，「音障」基本上是阻力相對極大區，通過音障以後，理論上阻力會突然下降，速度或加速度都會迅速變高。之所以強調「理論上」，是因為飛機超音速之後，會有其他的問題：因為飛機超過音速之後，機翼升力的中心會猛然往後移動，可能會導致機鼻上揚。對於一般直翼或後掠翼的飛機來說，這種重心移動還不是太危險，但對三角翼飛機而言，因為翼弦（機翼前緣到後緣的距離）很長，因此重心移動幅度很大，機鼻上揚情況就非常劇烈。
1950年代美國海軍的兩種三角翼戰機，XF2Y海鏢式（Sea Dart）和F4D天魟式（Skyray），都面臨嚴重的機鼻上揚，甚至往往造成飛機當場解體：最後海鏢式放棄生產，天魟則限定不得超音速飛行。後來的設計師汲取教訓，才使得三角翼超音速戰機成為可能。
不過科學家學會駕馭震波之後，便利用它使飛機性能大為提升：例如超音速飛機已經問世超過一甲子，但噴射發動機吸入的空氣，仍須保持在次音速；如果超音速氣流直接「灌入」發動機，反而會使其失效。因此超音速噴射機的進氣道設計，都會製造一到多道震波，讓以超音速衝入機身進氣口的空氣，在到達發動機時，已經減速到1馬赫以下，使發動機「吞得下去」。同時由於氣流的減速，也使得壓力上升，如此一來更提高進入發動機內的空氣量，使得燃燒推力更大。
例如國軍現役的幻象2000，或是過去的F-104戰機，進氣口突出的半圓錐體，就是「震波錐」。當超音速飛行時，氣流會被這個錐體激出一道斜震波，與進氣道唇緣產生的正震波，共同達成減速加壓的效果。其中幻象2000的進氣錐甚至可在不同速度下前後移動，來保證最佳的震波狀況。而經國號與F-16，則採用較簡單的橢圓型進氣口，以進氣道的正震波來減速加壓。
觀察一架飛機的外型，就可判斷是否能夠超音速。例如一般次音速民航機，不必困擾音障的問題，所以機翼與發動機進氣道的前緣，都設計成圓鈍狀；發動機前端的壓縮器葉片，也可從前方直接看到。
這樣的設計，代表即使施以外力「硬推」，機身前緣也會產生極大的阻力，甚至發動機都將因為超音速氣流直接灌入，而導致熄火。
另外，震波甚至可以轉換為升力：例如1960年代初期，美國研發的XB-70女武神式（Valkyrie）超音速轟炸機，為了達到三馬赫高速飛行的目標，就運用了「壓縮舉升」（Compression Lift）的觀念。
XB-70採用三角翼，六具發動機的進氣口裝在機翼下方，在超音速時，進氣口會產生強烈的震波，使得整架飛機等於「騎」在高壓震波上。如此一來，機身下方氣流的壓力遠超出上方氣流，壓力差也就化為強大的升力。
音速震波解析／音爆嚇死鵝？ 其實只是噪音
2011/05/09 【聯合報╱本報記者程嘉文】[img]http://mag.udn.com/magimages/4/PROJ_ARTICLE/0_0/f_317379_1.jpg[/img]
日前國軍在國道演習，吸引大批媒體，民眾圍觀。 記者劉學聖／攝影
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當地農民抱怨，音爆嚇死家禽，軍方態度保留。 記者劉學聖／攝影
國軍漢光廿七號演習，4月12日在高速公路的台南麻豆路段演練「戰備跑道起降」。不久傳出附近農民養的鵝隻被嚇死幾十隻，當地獸醫認為，「巨大的戰機音爆聲」把鵝群嚇得相互推擠踐踏，所以導致死亡。
同一時間，新竹縣竹東、北埔等地，都傳出足以震動門窗的巨大聲響，當地民眾也認為，這是新竹基地幻象兩千戰機的「音爆」。對此空軍表示，由於參加演習，機群飛行路線跟以往不同，若造成民眾驚嚇，軍方表示抱歉。
但到底什麼是音爆？音爆會帶來什麼災情？民眾遇上的是究竟不是音爆？
[b]「噪音」不等於「音爆」[/b]
「音爆一詞常被濫用」，成大航太所教授景鴻鑫指出，很多時候民眾以為的「音爆」，其實只是巨大的噪音，不是科學上的"Sonic boom"。
景鴻鑫指出，除了超音速飛機，在我們的生活周遭，也可能出現「音爆」。例如快速甩動鞭子、毛巾，其實瞬間速度都可達到音速，所發出的「破風」聲，或是槍械射擊產生的爆音，其實都是一種音爆。
理論上聲波會從音源成圓球型對外擴散，但當物體（航空器）的速度接近音速時，會逐漸「追上」自己往前發出的聲波。使得往前傳播的聲音，頻率會愈來愈高，最後這些聲波會「擠」在飛機前部，形成帶有極大空氣壓力的「音錐」，這種壓力變化也就是「震波」（Shock Wave）。這道壓力波向旁發散，就形成一道瞬間壓力變化的「牆」，一旦「撞上」這堵牆，不管是人或物體，都會感到震動，這種現象就是「音爆」。
震波是超音速飛行的典型特徵。一般而言，飛機的音爆會在0.8馬赫（Mach，一倍音速為一馬赫）的「穿音速」階段開始發生，因為當飛機飛到0.8馬赫時，機上部分地方（例如翅膀的上翼面）的空氣流速已經超過音速，這時會產生巨大的壓力差，化為向外發散的壓力波。其實聲波與壓力波是同一件事情：聲波是很弱的壓力波，而壓力波是很強的聲波。
因此若一架飛機以低速（低於穿音速）低空飛過，因為聲音比飛機快，地面上的人會先聽到飛機聲，但由於飛機不斷接近，所以不但音量從無到有、愈來愈大，音頻也會愈來愈高；等到飛機越過頭頂，不但音量減小，頻率也會逐漸降低。
但如果飛機以等同音速或超音速的速度飛過，一開始地上的人完全聽不到聲音，直到被壓縮的壓力波「牆」撞擊，這時不但會聽到一聲打雷般的「砰」短暫巨響，如果距離夠近，還會明顯感覺到衝擊的力量。等到音爆過去，才會聽到飛機發動機的聲音，隨著距離拉遠而逐漸降低音量與頻率。
漢翔航太發言人李適彰指出，飛機在穿音速狀態時，有時會在機身旁出現類似裙襬散開的「普朗特-格勞厄脫凝結雲」（Prandtl-Glauert condensation clouds），非常壯觀。這是因為當機首形成巨大空氣壓力的「音錐」時，在音錐的「表面」（物理學上的「波前」，wavefront）後方，反而會出現一段壓力低於大氣壓力的空間。如果空氣濕度夠，水氣就會因為降壓而驟然凝結為極細小的水珠，形成「雲霧」。隨著飛機通過，氣壓回到正常，水珠就從液態再度變成水氣，凝結雲也就消失，因此形成飛機「穿上白裙子」的畫面。
[b]音爆造成的傷害[/b]
如果一架飛機以穿音速甚至超音速從旁掠過，其所產生的壓力波，的確可能對建築物造成嚴重傷害，甚至可能令人重傷或死亡。同樣的道理，如果高速揮動的鞭子，緊貼著一隻螞蟻掃過，即使鞭子並未擊中螞蟻，但只要距離夠近，它仍可能被鞭子揮動的震波給震死。
各種超音速飛機產生的震波強度不同，一般而言在1至2哩之內都可能具有相當破壞力。因此各國政府都禁止飛機在人口稠密區上空超音速，至少必須限制在相當的高度，使得震波傳到地面時，已經因為能量消散而只剩下聲音。
李適彰表示，以台南麻豆的案例而言，戰機在當地進行起降，其實速度相當慢，絕對不可能出現「音爆」。但對平常不習慣噴射機巨大噪音的鵝隻，的確可能因驚嚇而死亡，但絕對不是被衝擊波「震死」。民眾或許不習慣龐大噪音，才會誤把噪音叫作音爆。
至於新竹等地發生的巨大聲響，空軍司令部政戰主任潘恭孝指出，目前戰機限制於在預先畫定的訓練空域，才能進行超音速飛行，這些空域都位於海洋或中央山脈上空，而且設有高度的下限。即使軍方舉行演習，飛航路線與平日不同，但仍會避免在平地城鎮上空進行超音速飛行。民眾感受到的巨響，可能是一般的「噪音」，還不到「音爆」的地步。因此空軍的回應是對「噪音擾民」感到抱歉，並未承認是「音爆」。
但對於在台灣附近海域作業的漁船，或是攀爬高山的登山者，就常有突然被音爆「轟」到的機會。根據空軍官員表示，的確曾有漁民抱怨，常被空中突然傳來的巨大震動嚇一跳，甚至有時會把魚群驚走。
音速震波解析／必學單字大閱兵
2011/05/09 【聯合報╱記者程嘉文】drag 阻力
lift 升力
supersonic 超音速
transonic 穿音速
shock wave 震波
condense 凝結
[b]延伸閱讀[/b]
1.夏樹仁，《飛行工程概論》，全華圖書，2008。
2.王懷柱，《揭開飛行的奧祕》，全華圖書，2009。
3.中村寬治著，簡佩珊譯，《飛機的構造與飛行原理》，晨星，2011。
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