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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】


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。
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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】


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


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?

「噪音」不等於「音爆」

「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。

音爆造成的傷害

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。
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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

延伸閱讀

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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