为什么经常听到空中有爆炸声？音爆云的杀伤力有多大？硬核科普

今天聊个稍硬核的知识：什么是音爆

“音爆云”是一种非常漂亮的物理现象，当飞机高速飞行时，有会一定概率看到围绕在机身周围，如同白色纱裙一般的锥形薄雾。虽然只会持续短短的时间，却是为军迷们所津津乐道的战机专属现象，因为民用飞机几乎没有可以达到声速的。

音爆云是怎么产生的？这层云是不是跟突破声速一定有关呢？又或者还有其他的“神秘力量”相助呢？

这就要从突破“声障”的历史说起了，自从飞机发明以来，怎么样飞得快就是一直是各国航空设计师和科学家们的孜孜追求。在活塞机时代，尽管对机身进行不断的修形，发动机功率一再提高，但每小时800公里基本上就是上限了。很长一段时间内，飞行器能否突破声速，人们都存在争议。

为什么活塞机始终不能超越声速呢？只要以螺旋桨来驱动飞机，那么桨尖一定是螺旋桨上线速度最大的地方，考虑到飞机本身还有向前的平动速度，实际上桨尖相对于空气（或地面）是在做一个螺旋运动。当飞机速度达到每小时700多公里的时候，桨尖的合成速度（转动 平动）就已经达到声速了。

▲假如一定要用螺旋桨式飞机来突破超声速，

那么桨叶大概就得是这个样子，

直径变小，面积增加，还得像弯刀一样

▲活塞机的究极体：海火Mk47

就采用了类似布局

▲现代的螺旋桨通常要进行外形优化

来尽量推迟桨尖激波的产生

浆尖达到声速，就会形成激波，导致转动阻力陡增，最直接的现象就是螺旋桨转动吃力，然后就会出现动力不足，再然后飞机就该栽下去了……，所以要想以螺旋桨为动力形式来超越声速，从原理上讲是难以实现的。

这里顺便说一下激波（Shock wave），简单的讲，激波就是物体在某种介质中运动，当速度足够快时，对这种介质产生的扰动来不及传播开来，被迫迭加形成的压缩波。通常飞机产生激波，或螺旋桨产生激波，大致都可以这样理解。

如果从本质上讲，激波应该这样解释——超声速气流受到扰动后产生的压缩波，可以产生在物体表面上，也可以产生在管道内，但无论如何，气体超声速流动是必要条件。激波产生后，激波前后的介质物理参数会发生突变，对于空气来讲，密度、压力和温度会变大，流速会减慢，这也是为什么出现激波后，阻力会突然大的原因。

▲物体是钝头还是尖头

决定了激波的强度Griffin 和附着形式，

你觉得哪一个阻力更大？

激波可以设想为空气来不及闪开而在瞬间被挤压而成，并随着物体前进的一个断层，如同一堵薄而硬的墙壁，如果一个物体顶着或带着激波（为什么要说“带”呢？后面再讲），就像顶着一把大伞或带着一圈环形板一样，阻力会大很多，这也是飞机要突破声障的一道难关——发动机的动力要足够大。

▲X-1装备火箭发动机

由母机投放到空中

基于以上原因，要想突破声障，就得采用新的动力方式。人类首次实现超声速飞行的纪录是在1947年10月14日，由美国飞行员查尔斯•埃尔伍德•耶格尔（CharlesElwood Yeager）驾驶名为“迷人的葛兰妮”号（Glamorous Glennis）的X-1试验机所创造，耶格尔在12800米的高度上依次打开四具灯火箭引擎，从0.83马赫一举冲到1.06马赫，并以此速度飞行了约20秒。

即使穿越声障发生在万米高空，地面指挥中心仍然听到了雷声般的巨响，这正是突破声速时产生的“音爆”。激波会在远离飞机一定距离后衰减为膨胀波，也就可以被听到，只是响声很大。

▲其实生活中听到空中莫名的巨响

很可能是高空的战斗机在作训

响声大就意味着声波携带的能量大，而这个能量就来自于被激波消耗掉的飞机动力。X-1的成功说明了喷气式飞机才是突破声速的正确方向，之后的战机就基本告别螺旋桨了。

如果距离飞机足够近，激波还没有多少衰减的范围内，激波造成的压强变化已经超出人类的听觉范围了，所以是“听”不到激波的。当然，“听”不到激波的另一个原因是，这时候人已经被震死了……

▲人类真的这么脆弱？

在激波到来之前，人周围的空气是静止的，而激波锋面以非常接近飞机的速度撞上来，就如同飞来一块看不见的大门板，以人类的肉体凡胎，是经不住这样一“扇”的。

即使距离稍远，比如两三百米，这种巨大的声响也会对人产生巨大的震撼，甚至对建筑物也会有损害，所以战机会被禁止在人口密集的地方低空飞行。鑫磊所在的法外军团在马里执行任务时，有一种战术就是呼叫幻影2000低空飞行，以声波扫荡地面，就算躲在建筑物里，也会被震个七荤八素，战斗力大减。

▲飞机在高马赫数时产生的激波是这样的（风洞照片）

以上的分析是把飞机作为一个点来看待，这是一种简化的分析。一个点要产生激波，运动速度当然就得结结实实的达到声速才行。但飞机实际上是一个三维的立体物，细致分析的话，并不能完全简化为一个点。

我们在平时的生活中都有这样的经验，如果身处一个相对狭窄的空间，那么通过其中的空气流动速度将会大于在一个敞开的空间，这是因为在密度变化微小的前提下，截面积变小，流速就得变快，这样才能保持通量平衡。在亚声速风洞中，正是利用这个原理来加速气体流动。

▲这是超临界翼型RAE2822在0.729马赫（2度攻角）下模拟计算

所得到的马赫数流场，在翼型最厚处，

马赫数已经大于1（越红越数值越大）

通常飞机或其它飞行物（比如炮弹），从头部开始，截面积会有一个渐次增加的部分，会将迎面而来的气流向两侧挤压，其效果相当于减小了空气通过的截面积。如果以飞机（或炮弹）本身为参照物，就会出现这么一个现象——在横截面积最大的地方，两侧的流速是大于迎面空气流速的。

所以，在飞机或炮弹的表面上，气流最早达到超声速的地方并不是在头部，而是在横截面积最大的地方。通常把物体此时的马赫数称为“临界马赫数”，根据飞行物的形状不同，这个数字从0.6到0.9都有可能。那么气流达到了超声速，会发生什么情况呢？上面这幅图同样还是超临界翼型RAE2822在同等条件下的模拟计算结果，只是物理量换成了温度，也就是温度场。对比上图（注意流场颜色和图例），你有何发现？

▲带一定攻角飞行的战机形成的“云”

从各个角度看都很漂亮！

在流速最大的地方，温度也低了，甚至低于零度。这是因为空气来流的能量是衡定的，速度快了，自然温度就减小（动能增加，内能减少）。低温同时也为马赫数增加做了贡献，因为空气的声速是与温度是正相关的（温度高，声速大，反之类推）。温度低于冰点，自然会引起水汽凝结，所谓的“音爆云”，大致就是这么出现的。

如果你看过战机产生“音爆云”的动态视频，就会发现这种现象会持续一段时间，速度再快就消失了。其实原因也很简单，前面已经讲过，超声速气流只要受到扰动就会产生激波，而飞机或者炮弹的表面，并不会是绝对光滑的，只要有一点点微小的突起或一个小缝隙，就会立即形成一道激波，这几乎是与“云”同时产生的，这就是前面为什么说飞行物会“带”着激波的原因。

▲某种传统翼型的流场变化

随着来流马赫数的增加，

超声速区域从中间的局部开始向头尾扩散

最终形成前后两道完全发展的激波

此时形成的激波被称为“局部激波”，确实也是“局部”的。激波会带来相反的效应——流速下降，温度升高，当然，刚刚达到临界马赫数时在两侧产生的激波还比较弱，增温有限，但随着速度继续增加，激波强度增加，并且位置开始前移，于是“云”很快就又消失了。

可以看出，“音爆云”产生时，飞机与静止空气之间的相对运动速度还尚未达到声速，但也不能说与突破声障毫无关系，因为“声障”的实质是激波带来的巨大阻力，而“音爆云”实际上是与局部激波相伴生的现象。

当然，根据其产生的原理，某些亚声速飞机同样会在达到临界马赫数时产生“音爆云”，比如最快能飞到第小时1000公里，约相当于0.8马赫的B-52就有此本领。

▲谁说块头大就帅不起来的？

在超音速状态进行机动时，飞行员将会承受巨大的压力！美军在1958年进行了一系列的试验，来检测人类的极限！下图中的飞行员在加速到340英里（约547公里）每小时的速度后，在1.4秒内瞬间停了下来！其间飞行员承受了50G以上的压力！

在后来的类似试验中，飞行员最高承受了83G的巨大压力！这个数字至今仍是世界纪录！试验的飞行员当场就昏了过去，本以为他会受很严重的伤，但是他仅仅休息了几天就恢复正常了…

▲毕竟我们不是超人…

▲运载阿波罗11号飞船的火箭

在接近1马赫时产生的“音爆云”

▲这朵大蘑菇都认识吧？

其实“音爆云”有一个专业术语，叫做“普朗特-格劳厄凝结云”（Prandtl Clauert condensation clouds），不只是在飞机或火箭这些飞行器上能见到，某些剧烈爆炸，比如在核试验中也能见到这种现象。以上关于“音爆云”的粗略解释大致能说明飞行器为什么会在在接近声速时产生凝结云，但更为普遍的原理至今尚未明朗，仍是一个有待研究的领域。

▲客机在起降时产生的翼尖涡流会对下一架飞机产生有害影响，

所以机场的客机起降频率不能过于密集

另外，不要把“音爆云”和涡流混淆起来，涡流有时也会被看见，看上去也是像白色的雾气，但涡流和“音爆云”的产生原理以及外形特征都不一样。涡流是由于飞行器表面因为某种原因（气流撞上边条或鸭翼，在尾部不能自然折转补充后部空间）导至附面层发生分离而产生的，翼尖涡流则是由于机翼上下压力差而产生的环形流动。涡流要么是环形，要么是拉长的条状，这与通常都略呈锥形的“音爆云”有所不同。

产生涡流并不需要多么高的速度，我们平时骑上电动车就足以在身后产生涡流区了，只是看不见而已，当汽车行驶在土路上，车后飞扬的尘土，就是被涡流卷起来的。

现代战机因为发动机要向后喷气，对后部空间有补充气体的作用，所以机身后部的涡流就没有这么显著了。当然，对于那些发动机装在机翼上的运输机和客机来讲，同样还存在这个问题，所以它们的尾部都是呈平缓收缩的锥形，以减小涡流阻力。