美国将研发X超音速飞机，可消除“音爆”

2015年11月26日中午，成都的天空传来三声巨响，几乎全市的人都听到了。随之传来了各种猜测，不过并没有地面爆炸的迹象。最大的可能，看来还是音爆了。但音爆是个啥？

北京时间6月27日消息，在7月举行的英国法伦堡航空展上，美国飞机制造商将揭开协和式飞机继任者的神秘面纱。这个超音速喷气机原型名为“X-54”，由波音公司、洛克希德-马丁公司、湾流公司在美国宇航局的帮助下研制，从伦敦飞往悉尼只需短短4个小时。

问：战斗机经过时为什么有打雷的声音？

　　听说了吗，美国航天局要开发一款新型超音速客机，将重点解决“音爆”问题。

1947年10月14日上午，美国西部鸟不拉屎的莫哈维沙漠。这是晴朗的一天，除了风吹过裸露的山丘外，只有几条响尾蛇懒懒的在沙地上画着S。突然，一声巨响，真正的晴天霹雳，大地为之颤抖；然后不知道从哪儿冒出来一群奇怪的人，他们欢呼雀跃，把帽子扔上了天。不久之后，一架有着炮弹般外形的橙色小飞机翩然降落在一座荒漠中的机场，从驾驶舱里钻出来一位英俊的小伙子，此人名叫耶格尔（C. Yeager），因为这一声巨响永留史册——他是第一个把声音抛在身后的人，刚刚驾驶贝尔X-1型飞机超过了音速。

3家公司希望将X-54打造成世界上第一架超音速喷气式商务客机。湾流公司的一位工程师上周表示，所有3家公司都相信他们能够将X-54飞行时产生的音爆降到很小的程度。他说：“这3家大型飞机制造商证实了业内的传闻，新一代超音速喷气式客机已经触手可及。”

　　所谓音爆，就是当物体的运行速度超过音速之后，物体对空气的压缩因为无法迅速传播，会在迎风面积累形成激波面，激波面上的声学能量高度集中，反映到人的耳朵里，会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。

查尔斯·E·耶格尔，第一个超过音速的人。图片来源：wired.com

据《星期日泰晤士报》报道，X-54采用合成材料制造，发动机更为先进同时机身更小，速度可达到协和式飞机的两倍，后者的速度为每小时1358英里。X-54的速度超过每小时2485英里，从伦敦飞往悉尼只需短短4个小时。伦敦与悉尼之间的距离大约为12000英里。

航空专业的同学来回答一下。

飞机飞过的时候产生的打雷的声音主要有两个来源，一个是飞机机身与空气剧烈的相互作用产生的噪音，另一个是发动机本身就会有巨大的噪音。

飞行中的X-1（原编号XS-1）。下面的图纸是第一次超音速飞行的数据记录纸带。图片来源：nasa.gov

目前，速度最快的超音速喷气式商务机湾流G650能够以每小时646英里的速度飞行7000英里，最大速度不过每小时704英里。据《航空与空间技术周刊》报道，X-54的外形在设计上能够降低音爆。X-54原型以及其他超音速飞机原型将亮相法伦堡航空展。

先说第一个，飞机机身与空气相互作用产生的噪音。

我们知道，飞机只有在加快到一定的速度的时候才能够产生足够的升力飞起来，但是正是因为飞行速度很快，所以飞机机身会与空气产生剧烈的相互作用，这种相互作用就会产生噪音，并且一般来说速度越快、噪音越大。

尤其是当飞机突破音速之后，由于飞机对空气巨大的压缩作用，会产生叫做“激波”的现象【如上图所示】，而空气在这种巨大的压缩作用之下，自然也会发出剧烈的噪声。虽然不是所有人都见过飞机在超音速下飞行，但是几乎所有人都知道甩鞭子会发出巨大的爆裂声，而这个爆裂声就是因为鞭子头瞬间达到音速之后产生激波而发出的“音爆”【如下图所示，可以看到高速摄影机拍到的鞭子超音速产生的激波】，所以就自然会知道这种噪声有多大了。

　　一架低空超音速飞行的飞机产生的音爆足以震碎门窗玻璃，甚至损坏不坚固的建筑物。因为音爆能量巨大，2003年，由法英联合研制的第一代超音速客机“协和式飞机”停飞，自此空中不再有超音速客机的身影。

那这声巨响从何而来？让我们把视线从天空转向水面。

2011年1月，宇航局公布了一架试验机在风洞内接受测试的图像。测试结果显示，借助于超薄机翼和隐藏型发动机，超音速飞机的音爆能够降至最低程度。美国德克萨斯州对冲基金交易商罗伯特-巴斯投资1000万美元，在宇航局的帮助下研制Aerion SBJ超音速喷气机。不过，交货日期仍是一个未知数。

再说第二个，发动机产生的噪音。

虽然飞机机身与空气相互作用产生的噪音很大，但是去过机场的人都可以看到，几乎所有的地勤人员都戴着厚厚的隔音耳罩，而且飞机起飞的时候飞机速度并不高，可是为什么还是会有巨大的噪音呢？

答案就是飞机发动机本身就会产生巨大的噪音。

我们知道，飞机的航空发动机是一种依靠化学燃料的燃烧、产生巨大推力的动力装置，航空发动机中的转子转动速度很快、气流在发动机内的流动速度也很高，最后气流排放气流的速度也不低。

上文也介绍了，只要气体快速流动，就会产生巨大的噪音，另外，发动机燃料在燃烧内的剧烈燃烧本身也会发出很大的噪音【如上图所示，就是模拟的发动机燃烧室内的燃烧现象，这是放慢速度的燃烧，但是实际上的燃烧速度比图里面快很多倍】，所以发动机发出的噪音绝对不小，尤其是战斗机的飞机发动机打开加力燃烧之后，发动机尾喷管的排气速度剧增【如下图所示】，那就发出更加骇人的噪声了。

把一粒石子投入水中，水面便会出现一圈圈涟漪，这是石子扰动水面形成的波。再看看航行的船，船头激起了倒V字型的楔形波纹。在空气中运动的物体与水上行船相似，只不过二维的水面变成了三维的空间，任何在空气中运动的物体都会扰动空气形成波。

X-54共有12个座位，造价估计在8000万美元左右，目标市场是欧洲和中东，所打出的广告语为“一个工作日内往返美国”。研制X-54不仅面临技术上的挑战，同时还要向政要们证明超音速喷气机能够被公众接受。协和式飞机产生的音爆让它的发展机会化为乌有，同时也是它被迫退出历史舞台的一个重要原因。2003年11月，协和式飞机进行最后一次飞行。

所以这下大家明白飞机飞过时的巨大噪音是怎么来的吧。

战斗机在做跨音速机动飞行时，会产生音爆。当飞机高速飞行接近音速时，机头空气阻力会迅速增加到峰值，这个峰值就叫音障，当突破音障后，声波传播速度低于飞行速度，会在飞机机头迎风表面形成激波，激波能量会沿着飞行方向的侧后方以声波的形式传递出去，形成打雷的效果。

飞机形成的激波中的能量，会以空气波和热量的形式耗散掉，空气波的中，频率位于我们人类听觉感知的频段可以被我们感知到

亚音速飞行的战斗机不会在机头形成音爆，但是发动机内局部会存在音爆形成的条件，在某些飞行姿态下也会产生打雷的轰鸣声，因此亚音速飞行的战斗机、导弹也有可行形成音爆。

由于压力的变化，会形成“团雾”现象，因为前面机头方向的高温高压气体流向飞机后面后，压力、温度都下降，水汽会达到饱和状态，这样后面就会形成美观的“团雾”。

『感谢阅读与关注 鶇飞天』

现代战斗机是人类科技的顶尖之作，飞行速度极快，比声音跑得还快，甚至达到音速的2倍到3倍多。不光飞机有这种现象，从枪口高速射出的子弹也会有音爆产生。

当战斗机从亚音速跨入超音速时，会产生一种奇特的听觉和视觉现象，称之为“音爆”和“音爆云”，一种很美丽另一种很恐怖。

本来飞机在低速飞行时，声波是向四周扩散的。能量使空气分子振动起来，这种振动传递的速度就是声速。前方的空气不断振动排开，飞机的阻力减小。

但飞机速度超过空气振动的传递速度时，前方的空气再也无法及时排开，从而在机翼，机身，机头部分产生激波面。飞机像锤子敲向墙面那样，撞上了一堵静止的空气墙，产生巨大的声响，形成音爆。同时，前方空气阻力骤然增大，导致飞机操纵性变差，发生栽头现象。

就像牧羊犬驱赶羊群，当狗的速度小于羊的速度时，羊四散跑开。如果狗的速度超过羊的速度，羊群来不及跑开，狗就会撞上羊。

音爆有两声，一个是由前激波产生的，另一个由后激波产生，整个超音速飞行期间，音爆现象一直持续。这种现象对地面人们的生产生活造成很大影响，所以无论是战斗机还是超音速客机，在和平时期都要按照规定，只能在25千米以上的高空或在海洋上才能进入超音速状态。

伴随着音爆的，还有一种极具美感的视觉现象，就是音爆云。在空气湿度大的地方，飞机进入超音速时机身周围压力急剧变化，气温降低，导致空气中的水蒸气遇冷凝结，形成细小水滴，组成了美丽的音爆云，好似给飞机穿上了一件天鹅裙。

音爆也能当成武器使用。在一部电影中，法国幻影2000战机的子弹打光了，飞行员急中生智，低空超音速掠过敌军车队，巨大的音爆把敌军装甲车掀翻在地，士兵都震晕过去了。

音爆对地面的影响与高度、速度有关。高度越低影响越大，速度越快影响越强。

谢谢邀请。

战斗机速度快，当一个物体达到极高的速度时，通常是2-3倍音速。这时空气瞬间就被分离开，空气要还原成原来的密度由于地球引力很大，被分离的空气合拢到一起时如同我们拍手，而这个声音非常大。近地面高速飞行时，可以使经过地区的玻璃全被震碎，这种现象是“音爆” 被分离的空气从新合拢时产生的。

战斗机作超音速飞行时，机头，机翼，机尾都会引起周围空气发生急剧的压力变化，产生强烈的前激波和后激波。如果飞机飞行高度不高我们就可以在激波经过的瞬间听到如睛天霹雳一样的雷声。这就是超音速飞机，进行超音速飞行时产生的音暴！由于有两个激波所以我们能听到短促而猛烈的两声音暴，音暴大小与飞行高度与速度有关！

我们这那一年都会有两三次这种声音。听起来非常远很闷特别响玻璃房子都有震动，

听起来像雷声，成为音爆。音爆的产生一般是在超音速飞行情况下，空气被撕裂合拢后产生的拍击声。

就是飞机速度超过声音速度打破音障产生音爆

　　这次美国航天局准备开发的超音速飞机，名为“X-飞机”，拟采用与“协和式飞机”相似的长尖机头和后掠机翼，长28.65米，翼展接近9米，装满燃料时的起飞重量不到1.5万千克，由通用电气公司的F414涡轮风扇发动机驱动，预计可在1.67万米高空以每小时超过1500公里的速度巡航，最高速度可达1.5倍音速，约合每小时1686公里。

这看起来没什么，但当物体运动的速度越来越快时，问题就出现了。空气中波的运动速度是有限的，也就是音速，当物体的速度达到音速时，它激起的那些波就被物体本身赶上了，堆积起来。换句话说，就是空气分子来不及逃开，被挤压在了一起。

喜欢玩儿水的朋友肯定对这种场景有所体会，水是温柔无形的，不过你如果想玩一下十米跳台，那可要小心，如果玩的不甚熟练，不小心肚皮接触了水面，温柔的水同样可以把你“揍”的七晕八素，肚皮青紫。如果玩儿的更惊险，来个悬崖跳水，如果姿势不当，那跟跳楼没什么区别。如果你没有类似的体验，可以找个风和日丽的周末，或者碰巧赶上商场大减价的时候，去下西单。远远的你看到有个美女或帅哥，你想快点儿追上她/他，于是你加快了脚步，很快你就发现人流成了你的阻碍，行人躲开的速度实在有限，你心急如焚，甩开膀子疾走。快到一定程度，你就发现自己再也无力提速了，因为人流变成了人墙。

　　“X-飞机”计划通过独特的造型，将冲击波发散出去，使噪音降低至75分贝，相当于“汽车关门声”大小。

当飞机的速度接近音速，情况与之类似：一堵空气墙横在前面。无奈上火的你多么希望自己变身绿巨人，轰隆一声把人撞得满天飞，哪怕胳膊上挂着七八个潮男靓女也阻挡不住你追求爱情的心——恭喜你，你悟到了超音速的真谛。只要动力足够充沛，结构足够结实，外形足够合理，被空气墙裹住的飞机便会超过音速。此时被压缩到极致的空气被穿透，产生了激波。

　　美国航天局声称，如果进展顺利，将于2022年试飞。

激波是什么，很难详细解释，因为它涉及到“熵、信息、介质、场、紊流”等一系列玄而又玄的概念。你只需知道这激波可以造成压力的剧烈波动。这就是莫哈维沙漠上神秘巨响的来源，更通俗的名称叫做音爆。如果你有幸听过音爆，你会注意到它实际上是由紧邻的两声巨响组成的，这分别代表了空气被飞机前部撞开和空气在飞机尾部闭合形成的激波。当然，由于地面和建筑物的反射，那声音更像是打雷，绵延不绝。

　　监　　制：战　钊

一架美国海军航空兵蓝天使飞行表演队的F/A-18战斗机低空超音速掠过海面。超音速形成的激波引起空气压力的迅速变化，导致水气凝结，形成所谓P-G奇点效应（Prandtl–Glauert singularity）。同时，冲击波在海面上犁出了一条白浪。图片来源：NASA.gov

　　科学顾问：傅前哨

音爆的能量巨大，一架低空超音速飞行的战斗机产生的音爆足以震碎门窗玻璃——所幸，飞行员自己不会被震到，因为飞得比声音快嘛。有一个未经证实的传说，上世纪五六十年代一家开在美国某空军基地附近的养鸡场老板曾经投诉过空军，因为他的上万只鸡都被耍酷的飞行员用音爆震死了。前不久的以巴加沙冲突期间，以色列空军也曾经多次夜间对加沙城实施音爆袭扰，有报道称震坏了350个门窗，造成了儿童的恐慌。

　　脚　　本：肖春芳

上图这架奇形怪状的丑飞机是美国诺斯罗普格鲁曼公司为研究改变飞机外形以减小音爆而设计的。图片来源：nasa.gov

　　制　　作：赵建康

超音速飞机造成的音爆很难精确的计算，这跟飞机的外形，尺寸，飞行速度，飞行高度以及大气的特性有关。不过在上世纪70年代之前，人们不用太担心音爆的问题，因为只有少数军用飞机可以突破音速。然而随着著名的协和飞机的问世，音爆这东西突然变得敏感起来。因为协和是投入商业运行的两种超音速客机之一（另一种是前苏联的图-144，不过使用并不广泛）。

　　配　　音：毕孝斌

英国航空的协和飞机。图片来源：wikipedia

有人测量过，一架在 16000米高空以两倍音速飞行的协和客机产生的音爆对地面产生的压强高达100帕，相当于给一块一平米左右的窗玻璃上施加10公斤的力，玻璃哗哗直响就不难解释了。我们把压强换算成更直观的声强，100帕大约相当于133分贝，如果你恰好身处某重金属摇滚音乐会的大音箱旁边，就知道133分贝的声音会对 你产生什么样的影响了。因此协和被禁止在陆地上进行超音速飞行，这与高昂的营运费用一起直接断送了这种优雅的飞机的生命，2003年，所有的协和退出市场，从此天空中不再有超音速客机的身影。

正是因为听到过音爆的人相对较少，所以它引发的恐慌事件也层出不穷。2006年4月26日，两架军用飞机超音速飞越美国亚利桑那州的尤马市，当地的911 报警电话瞬间被打爆，许多民众报告发生了爆炸或者是地震。其实如果你仔细听，音爆之后总是伴随着着飞机飞过的声音，本驼小时候一直以为这是飞机在投炸弹。

如果你没有听过飞机的音爆，那也不要紧。其实音爆经常发生在公园里，很多老大爷喜欢抽陀螺健身，如果不是亲眼所见，你很难想象那清脆的啪啪声是小小皮鞭发出来的。其实，这啪啪啪声就是一次次小小的音爆，因为根据观测，抽鞭子的时候鞭梢的速度已经突破了音速，这也可能是人类最早突破音速的尝试。

鞭子抽响的瞬间，就是超音速的瞬间。图片来源：Jefferson Taft 

但人类几乎肯定不是最早的超音速物种。计算机和物理模拟认为，近2亿年前的迷惑龙Apatosaurus 神龙甩尾可能就超音速了…… 　

（编辑：Ent）

本文原发表在科学松鼠会  ，有改动。