2013年10月4日 星期五

先聲奪人的物理----------超音速的故事

           



先聲奪人的物理----------超音速的故事

梆子

    這是一篇介紹後發先至學問的文章;在武俠的世界裡,暗器是其中不可或缺的技能之一,不知各位看熱鬧的看倌們可注意到使用暗器有什麼行道?內行的都知道一枚鐵蓮子是絕無法讓江洋大盜、武林敗類輕易就範的,我們看到的劇情一般是:英俊飄逸的男主角大俠客在發出一枚慢速的鐵蓮子後隨即附送上另一大把高速的刺針之類的餵毒暗器,好讓壞蛋準備好接收裝備時冷不提防就先中了那一把歹毒的暗器,大俠客於是除去此宵小而後快.......。在彷彿聽到男主角的梟笑聲中我們回歸現實,我想告訴各位讀者的是這種發暗器的境界在自然界是常發生的,例如那些被雷劈死的不孝子孫們便從沒有機會聽到雷公的怒吼,原因是上帝將光電的速度設計得比聲音快,以致我們總是先看到閃電才聽到雷聲。然而在我們人類的活動中,由於受限於肌腱的力量與神經的反應,平常不太容易有後發而先至的生活體驗,所以前文所引述的境界我們的確不易體會
    會有此類經驗的人類在文明史上或許只能追溯到發明步槍之後的20世紀左右吧!那時也僅限於靶場看靶標的極少數人而已,他們有機會可以先看到彈著點才聽到聲音。但沒人可以控制或解釋這些現象。原因很簡單,當時聲音傳播的速度遠比任何人造”的速度都還要快,所以感官世界仍是按習慣領域的邏輯順序來的。

超音速的故事

     超音速物理仍是由實驗而來的,累積的實驗結果加上富思考力的試驗者陸續拼湊出一些解釋現象的片段,然後一個德國數學物理學家成功地憑著已知的物理原理及師承而來的實驗成果,用數學推導出超音速的行為來,----即使60幾年前的當時機械工藝技術尚不足以證明他對超音速物體的預言。隨著二次大戰的結束,美國挾西方工藝文明領導者之姿從事大量的技術開發工作,使德國先實用化的噴射推進技術有了發揚光大的舞臺,飛機有了這項利器便愈飛愈快。終於,飛行器速度的發展愈來愈接近音速;這些實驗機發現它們愈想飛快,阻力便更形加大,彷彿上帝伸出如牆大手、或孔夫子舉起如椽大筆阻止人在偷了火種之後進一步窺探超音速世界的企圖;而一些悲觀的氣動力學者專家們就開始覺得飛機可能永遠不可能飛得比音速還快而發明了所謂的音壁音障的偽科學的新名詞,他們主張:物體運動至無限接近音速時阻力也將趨近無限大!
    這當然是錯的,藉由數學家如先知般的推論,及工程師的群策群力,噴射引擎的推力及氣動力的知識都獲得遠較象牙塔科學結實的進步,飛機運用改良的外型設計和更強大的引擎,突破音障的人造速度終於在NASA著名的X-1火箭飛機獲得實現。此後,超音速飛機便如雨後春筍般地遍地冒出。超音速,再也不是神話!至此而後,它牽動了噴射引擎、機翼、洲際飛彈、登月火箭、乃至太空梭重返大氣層減速技術等各式航太科技的進步。

超音速現象  

      軍刀機飛得快到你都聽不見聲音哦,要等飛過去你才聽得到耶!超音速?反正飛得很快就是了。,不蓋各位,我小學時班上第一名的同學就是這樣告訴我的,雖然30年後我還是有點酸地認為他八成也是一知半解,那個後來知道叫F-86的軍刀機相信也不曾膽敢在台北要塞地帶超音速飛行,但他描述的超音速倒全都講對了!” ,的確是必要條件,只要它快過它自己傳播出去聲音的速度便達到超音速的境界。從這句話來引申各位可以想像一下,有架超音速飛行的IDF(當年的“軍刀早除役啦)朝你的海釣船迎面而來,每當它的引擎怒吼聲才發向你的方向傳來飛機就更靠近你更多一些,以致聲音始終落在飛機的後面----來不及先透露給你它來了。於是乎飛機飛過你頭頂嚇走所有魚線旁所有的魚後你才驚覺這個事件的存在。這就是最顯而易見的超音速現象! 
    
    為了好說明一個物體快到比它原來發出的聲音還要快時空氣會產生什麼現象,本文特別製作了一組連環圖,用以說明所謂音壁的成因,及突破音速後的現象。(-----還沒達到漫畫的等級,失望的讀者抱歉啦!) 這組連環圖上為一靜止的音源,下則為一愈行愈快的音源;所謂音源,可以是府上的河東獅子吼,也可以是咱們IDF試車的聲音。我們看到(1),在時間初始時,音源發聲後在空中以音速的速率向四周擴散傳播,上下音源在相同條件下是一樣的;(2)時間流逝到此時,原來最先發出的聲音散佈地更遠了,而下面的運動物移動速度低於音速,所以站在遠處的人仍然依續先聽到(1)再聽到(2)(雖然,聽到在(2)時已變了調,這是另一個原理叫都卜勒效應的,它與雷達測速的應用有很大的關係,容後再談。)(3)當移動的音源快到音速的速率時,此時發出的聲音才啟程就已經很接近在(1)時就發音,辛辛苦苦才傳播到的位置,即相當於在此時移動音源陸續產生的聲音音波在其行進的方向都快擠到同一個地方了,能量聚集在同一個很狹窄的區域內形成強烈的震波(4)假如移動音源的速度高於聲音傳播的速度,則移動物每一瞬間發出的聲音的音波都後發而先至,在移動的方位上超越之前發出的音波,將它們全畫在一塊便形成(4)的美妙幾何圖型---一個圓錐體;錐體表面由斜的震波圍成,移動物速度愈快這個錐體就愈尖銳。

超音速物體形狀與震波的關係
   
    在超音速流場中的物體其外形會影響震波的強度和位置,現在我們不妨把上文的那圓錐體的頭放大來研究研究,從圖二我們可以看到一個小頭銳面的楔子可以讓震波從其尖點分出,前面過來的超音速氣流在波的後面轉折到平行楔子表面的方向去,速度雖降低但不一定會降到次音速以下;而一個以超音速飛行的鈍頭物體它的前頭便會產生一個次音速的氣墊” ,氣墊的前緣以一正震波的形式存在,正震波是震波中最強烈的事件線” ,線的前後壓力、溫度及速度等有最大幅度的變化,正震波後必定會降至次音速,所以氣墊本身是個次音速的區域。正震波向外延伸漸次變弱變斜而成斜震波,氣墊外流場則轉向平行於鈍頭表面。基於熱力學上的理由,震波愈強者造成之波阻力愈大;而在超音速飛行的飛機其波阻力佔總阻力很大的比例,所以在設計上自然需要避免任何造成大範圍正震波的外型。我們因此可以想見何以在飛機的發展史上會有一段音壁的迷思了,那段時間引擎的推力成長還不能把石頭打上天而機身機翼的設計又還未能理解到外型對阻力增加的影響。純就機翼剖面的形狀和震波造成的波阻力關係來看,其前緣應儘量與圖二之一的楔型類似,愈薄愈銳愈好。我國有史以來最快的攔截戰機F104的機翼便是這種觀念的極致發揚,據說它們雙楔型的機翼前後表面尖銳到地面作業時需套上防護墊(CKS機場外那冷門的航空博物館外有一架,可以去看看)!至於鈍頭外型會產生高阻力的現象對人類的貢獻也不完全是負面的,大家大概都曾看過太空梭重返大氣層的動畫畫面吧?太空梭重返時俯衝的姿態跟一般飛機不同,它是以整個機腹連帶機翼而非機鼻做為迎風面,為的就是要利用大而鈍的正面在超高速穿降時能造成最大範圍的正震波以產生最大的阻力及藉震波與機腹間的氣墊帶走最多的熱量。想想若是太空梭做成F104的外型並像飛機自這麼高的地方衝下,它的末速度要怎麼落地,又有多少熱量沒震波帶走而直接在機身上加熱?
超音速的世界藉由一些數學跟耐力超級好的科學家為飛機工程師開了扇窗,然後機翼、進氣道、引擎噴嘴、甚至高速風洞等等的設計發展便隨著熱力學及空氣動力學的日益成熟而更安全更有效率。然而這世界並不僅僅是本文所談到的而已,有關超音速與次音速的運動體在物理性質上的差異還有許多要靠較艱深的數學方法及熱力學模型去推導描述,它們距離日常生活較遠,所以並不適合在這個希望人人易學好懂的雜文雜述中贅述。
這篇短文倒不指望能在短短3000字便把人家航空系得修鍊一年到兩年(那些運氣不好的)的功力一次灌給讀者看倌,僅希望藉著一些描述性的超音速物理儘量以貼近生活經驗的部份讓大家多知道點意識型態裡較不容易體驗到的物理的一面。有興趣的讀者如果想知道這方面更詳盡的學問,可參考John D. Anderson 著作的“Fundamentals of Aerodynamics”“Modern Compressible Flow”有關Mach No., shock wave, compressibility等名詞,這位作者的特色就是寫的書都淺顯易懂好消化,極適合非本科工程人士閱讀。

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