音障,是
历史上(主要是
第二次世界大战期间)对飞行器尝试跨越
声速飞行遇到困难的称呼。这一说法在
1950年代以后随着跨声速飞行的广泛实现已渐不多见。
当物体(通常是航空器)的速度接近
音速时,将会逐渐追上自己发出的
声波。此时,由于机身对
空气的压缩无法迅速传播,将逐渐在飞机的迎风面及其附近区域积累,最终形成
空气中
压强、
温度、
速度、
密度等物理性质的一个突变面——
激波(Shock Wave,又译
冲击波、
骇波、
震波)面。激波的形成是
超音速飞行的典型特征。激波面将增加空气对
飞行器的阻力,这种因为音速造成提升速度的障碍被俗称为
音障。另外,在早期飞机的设计中,由于对
跨音速空气动力学了解尚少,所以曾多次发生飞机试图超越音速时解体或者失控坠毁的严重事故,有人把这一时期困扰飞机制造业的难题也称为“音障”。事实上,音障一词的名声大噪更多地来自于媒体的炒作及大众的误解,而非更加深刻的
物理实质
[1]。
飞行器进入超音速飞行形成的激波面,是
声学能量的高度集中面,所以又称
音锥。音锥在听觉上是一声短暂而极其强烈(可能超越人耳听力上限的)的爆炸声,故称为
音爆或
声爆(Sonic Boom)。强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害,也会给飞行器本身跨越冲击面的部分造成巨大的压力,所以各国一般都禁止超音速飞机在住宅区上空突破音速。
除此之外,跨音速飞行常常伴随的一个效应称为
普朗特-格劳厄脱凝结云(Prandtl-Glauert condensation clouds),表现为以飞机为中心轴、从
机翼前段开始向四周均匀扩散的
圆锥状云团。这是由于激波面后方以气压降低导致
温度的降低,引起水气
凝结导致的。水气凝结变成微小的水珠后,肉眼看来就像是云雾般的状态。这个低压带会随著离机身的距离增加而迅速消失。值得一提的是,普朗特-格劳厄脱凝结云并非只能在跨音速飞行中看到,与激波也没有必然的联系,它仅仅表征了空气具有一定的
可压缩性。在合适的条件下,尚未接近音速的飞机也能在自己周围产生普朗特-格劳厄脱凝结云
[2]。
注意到机身周围
激波面附近由于
普朗特-格劳厄脱奇点(
Prandtl-Glauert singularity)效应产生的圆锥形云雾。