馬赫環

生活科學趣談

話說在443聯隊服役時,每當F-5E戰機夜航起飛,常能看到帶有 馬赫環 的尾氣

也曾看過修補大隊的弟兄戴著防噪耳罩在測試發動機推力,不過當時並不是在 hush house 進行,而是在機棚外

下則影片則使用壓縮空氣來呈現馬赫環,藉由移除塞子後流速變快所造成的壓力下降(註:基於能量守恆,流體增加的動能必須來自於減少的壓力能與熱能),配合紋影技術(細節請參考這篇→紋影)即可觀察到氣流密度的變化

至於馬赫環的形成機制,由於戰鬥機的尾部會接一個中間收縮的 第拉瓦噴嘴,藉此提升氣流速度來超過音速。噴嘴出口處的廢氣因過度膨脹(over-expanded)而低於外界氣壓,進而被外界氣體壓縮。比如 SpaceX 猛禽火箭發動機在測試時,廢氣離開噴嘴後是先向內縮

還有一種狀況是噴嘴出口處的廢氣壓力高於外界的氣壓,常見於火箭處在高空稀薄大氣時,這種情況稱為膨脹不足(under-expanded)。在下則影片24秒處可以觀察到噴嘴出口的廢氣是先向外鼓出

當廢氣持續膨脹到使其壓力低於環境壓力後,氣流會從流體柱的外邊緣被反射回來,造成這些往內聚的氣流進一步被壓縮。基於絕熱壓縮會造成溫度上升,因此就能在流體變窄處產生明亮的菱形或圓盤狀亮面(註:菱形角度越尖,意味著具有較小的馬赫角而有較高之馬赫數;圓盤狀亮面則是具有較大馬赫角而流體速度略大於音速)。然後壓縮後的氣體因為壓力大於環境壓力,於是再度膨脹,從而形成第二個明亮的菱形或馬赫圓盤,這種具有腹點與節點的駐波現象可一再地重複下去,直到因為剪切機制的摩擦破壞波形而逐漸消散成為湍流。因此只要廢氣離開噴嘴時的速度超過音速,並且與外界的氣壓不同,就能產生馬赫環。

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