婁子巖

近期，全國(guó)多地出現(xiàn)不明巨響。報(bào)道稱，當(dāng)?shù)鼐用裢蝗宦牭揭粌陕暰揄?，伴隨巨響的還有門窗晃動(dòng)，玻璃被震裂，甚至車輛都在抖動(dòng)。人們紛紛猜測(cè)，是不是附近發(fā)生了地震或者爆炸事件？對(duì)此，當(dāng)?shù)貞?yīng)急管理部門和消防救援部門均表示未接到災(zāi)害險(xiǎn)情和生產(chǎn)安全事故報(bào)告，初步判斷巨響的原因?yàn)槁暠Ｄ敲?，聲爆是什么？它是如何產(chǎn)生的？它對(duì)生產(chǎn)生活有什么影響呢？

不可小覷的空氣阻力

聲爆，又稱音爆，是飛行器在超聲速飛行時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)壓力波傳到地面形成如同雷鳴的爆炸聲。聲速是聲波在介質(zhì)中的傳播速度，其大小因介質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)而異。通常，在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的空氣中，聲速約為 340米/秒（1224千米/時(shí)）。右表列舉了部分交通工具和武器裝備的最高運(yùn)行速度。

從表中可知，轎車、高鐵、磁浮列車、船舶和民航客機(jī)的最高運(yùn)行速度都沒有超過(guò)聲速，這是為什么呢？原來(lái)，運(yùn)動(dòng)的陸上交通工具，要克服地面摩擦力和空氣阻力；運(yùn)動(dòng)的水上交通工具，要克服水的阻力和空氣阻力；運(yùn)動(dòng)的民航客機(jī)，要克服空氣阻力?？諝庾枇徒煌üぞ哌\(yùn)行速度的二次方成正比，當(dāng)運(yùn)行速度提升至原來(lái)的兩倍時(shí)，受到的空氣阻力是原來(lái)的4倍，空氣阻力增長(zhǎng)之快使得這些交通工具運(yùn)行的速度不可能達(dá)到或超過(guò)聲速。

如何減小空氣阻力呢？到空氣稀薄的地方去。以民航客機(jī)為例，隨著飛行高度的上升，飛機(jī)周圍的空氣密度逐漸減小，空氣阻力也在減小，所以，民航客機(jī)一般在距離地面約1萬(wàn)米的平流層飛行，這樣能見度較高、受力較平穩(wěn)、安全系數(shù)較高。那么，如果想飛得更快，是不是繼續(xù)提升飛行高度就可以呢？并沒有那么簡(jiǎn)單。因?yàn)楫?dāng)飛行速度接近聲速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的阻力—聲障。

聲障—曾經(jīng)不可逾越的屏障

當(dāng)飛機(jī)的飛行速度低于聲速時(shí)，飛機(jī)會(huì)擠壓、排出周圍的空氣，這時(shí)飛機(jī)是追不上這些空氣的（圖1）。當(dāng)飛機(jī)的飛行速度接近聲速時(shí)，周圍的空氣會(huì)被急劇壓縮，出現(xiàn)一個(gè)壓縮過(guò)程的界面，也就是激波。激波是大氣中的一個(gè)間斷面，大量的聲學(xué)能量瞬間堆聚在這個(gè)很窄的間斷面內(nèi)，這時(shí)空氣的溫度、壓力和密度會(huì)急劇升高。當(dāng)飛機(jī)的飛行速度等于聲速時(shí)，激波會(huì)在機(jī)頭處疊加形成一個(gè)平面波，與機(jī)身垂直，類似一堵能量很大、寬度很窄，高溫、高壓、高密度的空氣墻，這個(gè)空氣墻就是聲障（圖2）。

想要突破聲障并不容易。20世紀(jì)40年代，某些戰(zhàn)斗機(jī)的最大平飛速度已達(dá)馬赫數(shù)0.5，俯沖時(shí)的速度已超過(guò)馬赫數(shù)0.7，但當(dāng)飛行速度接近聲速時(shí)，戰(zhàn)斗機(jī)就會(huì)阻力激增，升力下降，速度很難繼續(xù)提升；如果強(qiáng)行提速，機(jī)翼和尾翼就會(huì)嚴(yán)重抖振，甚至發(fā)生機(jī)毀人亡的嚴(yán)重情況。當(dāng)時(shí)，聲速被認(rèn)為是飛機(jī)飛行速度的極限，聲障更是不可逾越的屏障。馬赫數(shù)是氣流速度與當(dāng)?shù)芈曀僦?，?dāng)飛機(jī)以馬赫數(shù)1.2～5.0的速度飛行時(shí)，就叫超聲速飛行。

圖1？飛機(jī)飛行速度小于聲速時(shí)的波系

圖2？飛機(jī)飛行速度等于聲速時(shí)的波系

為了提高空軍戰(zhàn)斗力，多國(guó)持續(xù)進(jìn)行突破聲障的研究，當(dāng)時(shí)主要通過(guò)提升飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和改善飛機(jī)外形設(shè)計(jì)等途徑來(lái)減小聲障阻力。1947年10月14日，美國(guó)用于超聲速飛行研究的火箭飛機(jī)X-1首次突破聲障，飛行馬赫數(shù)達(dá)到1.015。實(shí)戰(zhàn)用戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度也在20世紀(jì)50年代初期超過(guò)了聲速。目前，現(xiàn)代軍用飛機(jī)大多在馬赫數(shù)1.2～5.0飛行，中國(guó)的殲-20就是超聲速戰(zhàn)機(jī)。目前，超聲速飛行器主要應(yīng)用于航天、軍事和特殊領(lǐng)域研究。

頗具科幻感的聲爆云

突破聲障后，飛機(jī)如果繼續(xù)以超聲速飛行，既需要更多的燃料，也需要更大的動(dòng)力。由此可見，超聲速飛行對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航空材料和外形設(shè)計(jì)等提出了更高的要求。超聲速飛行導(dǎo)致的氣動(dòng)加熱在飛行馬赫數(shù)小于2.5時(shí)，機(jī)身的鋁合金強(qiáng)度尚可維持；在馬赫數(shù)達(dá)到3.0后，氣動(dòng)加熱加劇，機(jī)身則須采用耐熱合金材料。另外，高空超聲速飛行時(shí)，飛機(jī)的航向穩(wěn)定性會(huì)變差，所以把飛機(jī)翼面做成薄而短的后掠形或三角形，機(jī)身做成尖頭細(xì)長(zhǎng)形，加大垂直尾翼面積或采用自動(dòng)化裝置等，都有利于飛機(jī)繼續(xù)高速飛行。

突破聲障時(shí)，飛機(jī)前部的氣壓和溫度增高，飛機(jī)中后部的氣壓和溫度降低，空氣中的水汽發(fā)生凝結(jié)而形成云霧，這就是聲爆云（或稱音爆云）。聲爆云一般出現(xiàn)在飛機(jī)的中后部，形狀類似激波錐，從機(jī)翼前端向四周擴(kuò)散，具有醒目的視覺效果，頗具科幻感，一般可持續(xù)數(shù)秒。

聲爆云的產(chǎn)生需要適宜的空氣濕度和溫度條件，并不是每次超聲速飛行都會(huì)產(chǎn)生美麗的聲爆云。有時(shí)，即便速度沒有達(dá)到聲速，也會(huì)有聲爆云。這是因?yàn)楫?dāng)飛行速度超過(guò)馬赫數(shù)0.7時(shí)，機(jī)體的某些突出部位（比如機(jī)翼翼尖）的氣流速度就已經(jīng)超過(guò)聲速了，此時(shí)只要空氣濕度滿足條件，就可能產(chǎn)生聲爆云，這就是為何一些亞聲速轟炸機(jī)同樣可以產(chǎn)生聲爆云的原因。當(dāng)它們繼續(xù)加速并以超聲速飛行時(shí)，機(jī)體的氣流擾動(dòng)會(huì)更加劇烈，所以在突破聲障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更大的聲爆云。

聲爆云

巨響從聲爆中來(lái)

飛機(jī)在超聲速飛行過(guò)程中，激波疊加形成以飛機(jī)機(jī)頭為頂點(diǎn)、向尾部延伸的激波錐，形狀近似圓錐體。機(jī)頭的前激波和機(jī)尾的后激波同時(shí)傳播到地面，人的耳膜受到突然的空氣壓強(qiáng)變化而強(qiáng)烈震蕩，因而會(huì)聽到短暫而強(qiáng)烈的爆炸聲，這就是聲爆。由于這兩道激波在地面反射，形成一個(gè)N形反射激波，因此人們通常會(huì)聽到兩聲巨響，每聲持續(xù)約0.2秒。在特殊的地形和天氣情況下，也可能聽到一聲或者三聲巨響。

聲爆的噪聲值約為130分貝。根據(jù)國(guó)家《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，居民住宅區(qū)的噪聲限值為白天55分貝，夜間45分貝。突然劇烈響起的、高達(dá)130分貝的聲爆確實(shí)會(huì)對(duì)人們?cè)斐梢欢ǔ潭鹊捏@嚇，甚至?xí)?duì)聽力造成一些損害。雖然聲爆無(wú)法完全避免，但人們可以通過(guò)提高飛機(jī)飛行高度、調(diào)整航線以避開居民區(qū)、安裝隔音效果好的門窗等辦法來(lái)減少聲爆對(duì)正常生產(chǎn)生活的干擾。