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飛機在空氣中飛行時,前端對空氣産生擾動,這個擾動源以壓力擾動或壓力脈衝的形式在飛機前端形成,並以音速向外傳遞。當飛行速度小於音速時,擾動源的傳遞速度大於飛機的前進速度,因此它的傳遞方式爲四面八方;而當物體以音速或超音速運動時,擾動源的傳遞速度等於或小於飛機前進的速度,如此後續時間的擾動就會與已產生的擾動源重疊在一起,形成較強的波動,週遭的空氣因此遭到強烈的壓縮,機翼的氣流狀態變得相當複雜,進而形成了震波(Shock wave)。此時飛機的飛行速度稱之為臨界速度,又稱為臨界馬赫數(critical Mach Number, Mc)。

而馬赫數(Mach Number),即聲音的速度,簡稱為音速。音速的理論為奧地利物理學家昂斯特.馬赫(Ernst Mach)於1887年所發表,即飛行體飛行的速度比聲音快或慢,會隨著溫度改變音速也會改變。馬赫數以標準海平面聲音傳播的速度每秒340.24公尺為計算標準,不過一般是以當時飛行的空氣層的音速來計算馬赫數。音速的特性分為以下四類。

次音速(Subsonic):馬赫數小於0.8者。

穿音速(Transonic):馬赫數小於1.2而大於0.8者。

超音速(Supersonic):馬赫數由1.2至5.0者。

極音速(Hypersonic):馬赫數超過5以上者。

空氣在通過震波時,受到薄薄的一層稠密空氣阻滯,使得氣流速度急驟降低,由阻滯所産生的熱量來不及消散,於是加熱了空氣。加熱所需的能量由損耗的動能而來。於是能量發生了轉變,由動能轉變爲熱能。動能的損耗表示産生了一種特別的阻力,這阻力由於是隨著震波的形成而來,故稱之為“震波阻力”,簡稱波阻。以能量的觀點看來,波阻就是這樣産生的。

以機翼上表面壓力分佈的觀點來看,震波阻力産生的情況大致如下;依據對機翼所作的風洞實驗,在超音速飛行的情況時,機翼上的壓力分佈偏向後緣部份。而在穿音速飛行的情況下,機翼上只有摩擦阻力、壓差阻力及誘導阻力,其壓力分佈移向前緣部份。由此可以看出,在穿音速飛行情況下,弓形波(Bow wave)向前緣移動,故其沿著與飛行相反的方向上所產生的合力,即阻力並不是很大,其中包括翼型阻力及誘導阻力。

而所謂的弓形波定義為何。當飛行速度達到馬赫數1.05時,在機翼前緣後的空氣來不及接觸到聲波,隨即被機翼排出。在機翼前緣形成的震波即稱之為“弓形波”,因外形呈現弧狀近似弓。若飛行速度再行增加且高出臨界馬赫數許多時,則弓形波就會更向機翼前緣移動,震波與弓形波的相切角度會更大。

但在超音速飛行的情況下,壓力分佈變化非常大,弓形波向後遠遠地移動到尾部,而且向後方的相切角度縮小得很厲害,同時它的絕對值也有增加。因此若不考慮機翼前緣壓力的上升,那麽壓力分佈沿與飛行相反方向的合力會急劇增大,使得整個機翼的總合阻力有很大幅度的增加,這附加部分的阻力就是波阻。由於波阻來自機翼前後的壓力差,所以波阻實際上也是一種壓差阻力。理所當然,若航空器或機翼上的任何一點氣流速度不接過音速,是不會産生震波及波阻。

阻力對於飛機的飛行性能具有很大的影響,特別是在高速飛行時,震波和波阻的産生,對飛機的飛行性能影響更大。這是因爲波阻產生的數值很大,能夠消耗掉發動機大部分的動力。若當飛行速度在音速附近時,依據公式的計算,波阻可能消耗掉發動機大約全部動力的四分之三,此時阻力係數會急驟的增加好幾倍。這就是由於飛機上出現了震波和波阻的緣故。

由以上所述來看,波阻的大小顯然與震波的形狀有關,而震波的形狀在飛行時馬赫數不變的情況下;又主要決定於物體或飛機的形狀,特別是前端或機首的形狀。按相對於飛行速度(或氣流速度)是成垂直或成傾斜的狀態,有正震波和斜震波兩種不同的形狀。成垂直的是正震波,成傾斜的是斜震波。

在飛行時馬赫數超過1時(若馬赫數等於2),如果物體的頭部尖削,呈現矛頭狀或刀刃狀,則形成的是斜震波;如果物體的頭部是呈現圓鈍的形狀,在物體的前面形成的則是正震波。正震波沿著上下兩端逐漸傾斜,在較遠處形成爲斜震波,最後逐漸減弱成爲微弱擾動的邊界波動。斜震波的情形也是一樣的,到末端也逐漸減弱而轉化爲邊界波動。在正震波之後的一小塊空間,氣流穿過正震波,消耗的動能很大,在由超音速降低到穿音速,在這裏形成一個穿音速區域。

馬赫數的大小也對震波的形狀有影響,當馬赫數等於1或稍大於1(例如馬赫數等於1.052)時,在尖形(如炮彈)物體前面形成的是正震波。若馬赫數超過1相當多(例如馬赫數等於2.526),形成的則是斜震波。

正震波的波阻要比斜震波大,因爲在正震波下,空氣被壓縮得相當厲害,震波後的空氣壓力及密度上升到最高,震波的強度最大,當超音速的氣流通過時,空氣粒子受到的阻滯最為強烈,於是速度大幅度降低,動能消耗變得很大,這表示産生的波阻很大;相反的斜震波對氣流的阻滯較小,氣流速度降低不多,動能的消耗也較小,因此波阻也變小。斜震波傾斜的越厲害,波阻就越小。
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    liu08222000 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()