真实存在的空气墙：激波

　　日常生活中,我们经常看到《某地巨响》这样标题的新闻,而在评论区,总会有热心网友让大家放心,这只不过是飞机试飞时突破音障产生的声音。那么,为什么飞机突破音障时会产生爆炸似的声响,“音障”又是什么呢?这就不得不提到我们今天的主角——激波。它既是自然界中能量释放的“爆裂化身”,也是人类突破技术极限的“双刃剑”。

　　极速之壁:激波的诞生

　　想象你向平静的湖面投掷一颗石子,水波会以同心圆的形式向外扩散。产生水波的石子落水后便不再运动,其产生的水波不断搅动远处平静的湖面。这个过程中,由于石子不运动,不会产生新的水波,原有的水波只会一圈一圈有序的扩散,不会形成巨大的水墙。想象我们用手掌推动水面,水波会源源不断的产生。手掌推动的速度越快,新产生水波和原有水波间的距离越近。当手掌的速度超过水波传递的速度时,旧水波还没来得及传到远方,新的水波已经全部挤压到了旧水波的位置,从而会形成一道水墙,产生巨大的阻力。

　　同样的道理,在空气中,飞机本身就是产生波的波源。当飞机的运动速度超过波本身的传播速度时,物理规则将被颠覆,后续产生的波全部积压在最初产生的波上,层层叠叠,形成一道陡峭的“空气墙”。这道空气墙就是激波。

　　当飞机的速度从亚音速向超音速跨越时,前方的空气分子来不及“躲避”,被剧烈压缩成一个极薄的区域。这里的空气密度、温度和压力在百万分之一秒内骤增,释放出惊人的能量和巨大的响声,这就是飞机跨越音障时的音爆。

　　破壁之法:冲破激波

　　当飞机从活塞式向喷气式进化的那一刻起,激波这道空气墙便成为了拦在人类向着更快速度进发的禁锢之壁。如何冲破激波,打破音障成为了摆在科学家面前的难题。

　　多年攻关,科学家们从气动外形设计、材料热防护、新型推进系统三大方面同时发力,成功冲破激波。气动外形设计方面,超音速飞机尖锐的机头不仅更富美感,其如尖刺一般的外形更可以减少前方空气的突然压缩,使激波角度更小,从而降低激波的阻力。后掠翼设计将垂直于机翼前端的气流速度分量降低到亚音速,延迟激波的产生。翼身一体化设计则通过机身横截面积的平滑过渡,避免激波在机身不同部位叠加共振,降低阻力。材料热防护方面,通过开发新型复合材料,抵御激波产生的高温。推进系统方面,通过研发新型发动机、使用固体火箭发动机等,给飞机提供充沛的冲破激波的动力。

　　两面性:激波的危害与应用

　　超音速客机因冲破激波产生的噪音可以达到140分贝,相当于枪击声,如此巨大的声音甚至可能震碎玻璃,给客机乘坐的舒适性造成了巨大影响,这也是协和式客机商业运营受限的重要原因。核武器爆炸时,一半以上的能量以激波的形式释放,能摧毁数公里内的建筑,是核爆杀伤力的主要来源之一。

　　激波也有被好好使用的一面。医学上,体外冲击波碎石机通过精准聚焦激波,无需开刀即可粉碎肾结石,减轻了病患的痛苦。工业加工上,激波可用于金属表面强化、纳米材料合成、食品灭菌等方面。甚至在前沿科技可控核聚变上,科学家尝试用高能激光产生激波,压缩氘氚燃料至极端条件,模拟太阳内部的核聚变环境。

　　激波如同一面镜子,映照出宇宙中能量传递的原始暴力,也折射出人类智慧的精妙。从敬畏自然界中的激波灾害,到主动操控激波为文明服务,科学的力量让我们在“破坏”与“创造”的平衡中不断前行。下一次当你听到天空中传来的巨响时,也许会微微一笑,不仅仅因为明白这是飞机冲破音障的声音,更因为懂得这是人类运用物理规则的胜利。

　　（来源：点财网）

责任编辑：何奎良