音障，又稱為聲障。是一種物理現(xiàn)象，它是20世紀40年代出現(xiàn)的航空術語。飛行器在速度達到音速左右時，會有一股強大的阻力，使飛行器產(chǎn)生強烈的振蕩，速度衰減。這一現(xiàn)象被俗稱為音障。
現(xiàn)象形成
音障，又稱為聲障，是一種物理現(xiàn)象。如果飛行器以低于音速的速度飛行時，由它所引起的空氣分子的振動，也就是聲音以一個分子推動下一個分子的方式，以音速向四面八方形成層層波動傳播。當飛機到來時，飛機前方的空氣分子已處于運動狀態(tài)，飛機就很容易從其中穿過。但如果飛機的飛行速度和聲音的速度一樣的話，那么位于飛機前方的空氣分子都處于靜止狀態(tài)。飛機到來時，這些空氣分子被迫移動，可這些分子前方的分子同樣也是靜止的，于是飛機前方的空氣就被一層又一層地壓縮到一起，形成一堵無形的墻，這使速度就再也提不上去。此處空氣密度增大，壓力也大，溫度也增高，在航空術語中稱其為激波。激波的形成是超音速飛機的典型特征。激波會增加空氣對飛行器的阻力，使飛行器產(chǎn)生強烈的振蕩，速度衰減。這種因為音速造成飛行障礙被俗稱為音障。
現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)
音障是20世紀40年代出現(xiàn)的航空術語。第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)斗機的設計已經(jīng)相當成熟，雖然還沿用直機翼，當時單臺發(fā)動機的動力已超過一千馬力（1馬力=735.499瓦），飛機的平飛速度已達聲速的一半；俯沖時，可以超過聲速的0.7倍。但由于技術上的需要，還要把速度再提高，可是當飛機速度提高到800KM/小時的速度時，發(fā)現(xiàn)飛機有自發(fā)栽頭和尾翼強烈抖振現(xiàn)象，難以駕駛，使整個飛機有破碎的危險。后來發(fā)現(xiàn)自發(fā)栽頭是由于翼面附近出現(xiàn)相當大的超聲速區(qū)，翼面上吸力區(qū)（氣壓低于大氣壓的區(qū)域，也稱負壓區(qū)）大大地向后擴展，壓力中心顯著后移，從而產(chǎn)生很大的低頭力矩造成的。翼面上的局部超聲速區(qū)是以激波為后界的，而激波又引起翼面上的邊界層分離；分離流很不穩(wěn)定，打到尾翼處就會引起尾翼抖振。也就是當飛機速度超過接近音速，空氣會產(chǎn)生一種“壓縮效應”，這種效應會使機頭前部的空氣被壓縮成密度很高的“空氣墻”，是飛機難以逾越，這就是所謂的“音障”。隨著飛機外形設計的不斷改進（如改用展弦比較小和翼剖面更薄的后掠機翼），推力更大的噴氣發(fā)動機的制成，音障也就成為一個歷史名詞。
現(xiàn)象解釋
音速隨著高度和溫度的不同而變化。近地面的音速高，在高空中音速低，在溫度為15℃的地平線上的音速為1227千米/小時，而在萬米高空，音速只有1080千米／小時，這個速度也被稱作“1馬赫”。為了更好地表達飛行速度接近或超過當?shù)匾羲俚某潭龋茖W家采用了一個反映飛行速度的重要參數(shù)：馬赫數(shù)。它是飛行速度與當?shù)匾羲俚谋戎担喎QM數(shù)。M數(shù)是以奧地利物理學家伊·馬赫的姓氏命名的。馬赫曾在19世紀末期進行過槍彈彈丸的超音速實驗，最早發(fā)現(xiàn)擾動源在超音速氣流中產(chǎn)生的波陣面，即馬赫波的存在。M數(shù)小于1，表示飛行速度小于音速，是亞音速飛行；M數(shù)等于1，表示飛行速度與音速相等；M數(shù)大于1，表示飛行速度大于音速，是超音速飛機。
接近音障
時速700多公里的飛機，迎面氣流在流過機體表面的時候，由于表面各處的形狀不同，局部時速可能出700公里大得多。當飛機再飛快一些，局部氣流的速度可能就達到音速，產(chǎn)生局部激波，從而使氣動阻力劇增。這種“音障”，曾使高速戰(zhàn)斗機飛行員們深感迷惑。每當他們的飛機接近音速時，飛機操縱上都產(chǎn)生奇特的反應，處置不當就會機毀人亡。第二次世界大戰(zhàn)后期，英國的噴火式戰(zhàn)斗機和美國的“雷電”式戰(zhàn)斗機，在接近音速的高速飛行時，最早感覺到空氣的壓縮性效應。當飛行速度接近聲速的時候，螺旋槳槳葉尖端的運動速度會超過聲速，使螺旋槳的性能迅速下降；機翼和機身表面的氣流也變得非常紊亂，令飛機難以操控。當時以活塞式發(fā)動機和螺旋槳驅(qū)動的飛機，其性能已經(jīng)達到了極限。航空科學家們認識到，要向音速沖擊，必須使用全新的航空發(fā)動機，也就是噴氣式發(fā)動機。
突破音障
第二次世界大戰(zhàn)后期，戰(zhàn)斗機的最大速度已超過每小時700公里。要進一步提高速度，就會碰到所謂“音障”的問題。當飛行器超過“1馬赫”，我們就稱為“突破音障”。這時候飛機周圍的水凝結成水滴，形成白色的暈輪，同時因為聲波的擠壓，形成音爆現(xiàn)象。
二戰(zhàn)后，突破音障成為航空研究的熱點課題。美國對超音速飛機的研究主要集中在貝爾X-1型“空中火箭”式超音速火箭動力研究機上。研制X-l最初的意圖，是想制造出一架飛行速度略微超過音速的飛機。X-l飛機的翼型很薄，沒有后掠角。它采用液態(tài)火箭發(fā)動機做動力。由于飛機上所能攜帶的火箭燃料數(shù)量有限，火箭發(fā)動機工作的時間很短，因此不能用X-1自己的動力從跑道上起飛，而需要把它掛在一架B-29轟炸機型“超級堡壘”重型轟炸機的機身下，升入天空。飛行員在升空之前，已經(jīng)在X-l的座艙內(nèi)坐好。轟炸機飛到高空后，象投炸彈那樣，把X-l投放開去。X-l離開轟炸機后，在滑翔飛行中，再開動自己的火箭發(fā)動機加速飛行。X-1進行第一次空中投放試驗，是在1946年1月19日；而首次在空中開動其火箭動力試飛，則要等到當年12月9日才進行，使用的是X-l的2號原型機。第二次世界大戰(zhàn)后，突破音障成為航空研究的熱點課題。1947年，X-l的首次超音速飛機才獲得成功。1947年10月14日上午8時，美國試飛員耶格爾駕駛X-1飛機在美國加利福尼亞州南部上空成功脫離B-29母機。隨后，他駕駛X-1飛機上升到12000米高空，飛行速度達到1066公里/小時，相當于M1.015。耶格爾成為了航空史上突破“音障”的第一人，使他的名字載入航空史冊。在人類首次突破“音障”之后，研制超音速飛機的進展就加快了。超越音速的紀錄在1962年達到頂峰，美國人設計的X-15試驗機型飛機達到了馬赫6(6838千米／小時)的驚人速度；此外，這款機型還是航空史上著名的爬高冠軍，能飛到距離地平線100千米的高度。x一15型飛機創(chuàng)下的紀錄一直保持到今天。×-15為美國早期的載人航天計劃，甚至后來的阿波羅登月計劃，積累了極為寶貴的實驗數(shù)據(jù)；而它超越時代的高超性能，也模糊了航空與航天的界限。
消除音障
飛行器
飛機如想沖破這堵墻必須耗費成倍的能量，飛機機身所使用的材料也必須更加結實和耐熱，否則飛機結構就可能遭到破壞。為了讓飛行器安全突破“音障”，各國科研機構想了不少招法：通過調(diào)整戰(zhàn)機的氣動布局，將氣動中心后移以增強戰(zhàn)機的縱向穩(wěn)定性；研制新型渦輪噴氣發(fā)動機，降低涵道比，進一步提升戰(zhàn)機動力；改用后掠翼翼型，以減小戰(zhàn)機超音速飛行時的阻力等等。在超音速飛機的狀態(tài)下，對飛行員的抗載荷能力和操作能力提出了更高要求。
真空管列車
真空管列車為何能遠遠快于飛機，其訣竅不在于車輛本身的先進設計，重要的是道路的設計。我們知道，無論交通工具是在地面、軌道或空中行駛，它所耗費的動力中很大部分用于克服空氣的阻力，而且速度越快，空氣阻力越大。當交通工具的速度接近音速（約340米/秒）時，交通工具前方的空氣因來不及散開而受到壓縮，密度、溫度突然增加，極大地阻礙交通工具向前行駛。這就是令研究人員十分頭疼的音障。高速列車速度越快，噪聲越大，對環(huán)境影響也就越大，超越音速時甚至會產(chǎn)生駭人的聲爆。因此，目前正在運營的地面交通工具，商業(yè)運營時速很少超過500千米。要發(fā)展超音速交通工具，如何克服音障和聲爆是一個重要問題。從理論上說起來，解決這個問題十分簡單，那就是消除阻礙交通工具前行并會產(chǎn)生音障和聲爆的空氣。也就是說，讓交通工具在真空中運行，速度就可以越來越快，并達到數(shù)倍音速。最早提出真空管列車構想的研究人員是美國的達里爾·奧斯特。1997年他就提出了相關構想，并申請了專利。
參考資料 >
“整個世界都安靜了”——突破音障(組圖).新浪網(wǎng).2020-05-18
什么叫音障?.三江學院.2023-11-20
相對速度對機翼升阻力的影響摸索及對“音障”的理解.超星期刊.2020-05-18
音障——難以跨越的“墻”.中國民用航空局.2023-11-21
戰(zhàn)機如何突破“音障”.今日頭條.2023-11-21
真空管列車速度遠超飛機-真空管,交通工具,奧斯特,研究人員,全封閉-北方網(wǎng)-新聞中心.北方網(wǎng).2023-11-21