@ 2015.08.29 , 16:00

不可思议的音爆影像

NASA(美国国家航空航天局)运用150年前发明的一项摄影技术来捕捉超音速飞机产生的冲击波。

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此项技术被称作“施利伦法(schlieren imagery)”或者“纹影法摄影术”,通过这项技术可以看到空气折射率改变或者光在某种媒介中的传输速度改变。

冲击波可以产生一个显而易见的折射率改变,通过纹影法摄影就可以捕捉下来。

NASA试图减少音爆,为研发下一代协和式超音速客机作准备。

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这张图片显示了超音速飞机飞过莫哈韦沙漠时产生的冲击波。科研人员使用NASA先进的图像处理软件去除了沙漠背影,将多帧照片混成为一张清晰的冲击波照片。

“目前超音速商业飞行最重要的障碍是如何减少音爆。”NASA的高速项目主管彼得·科恩说到。

纹影法摄影术是由德国物理学家托普勒(August Toepler)于1864年发明的,但通常用于在飞洞中捕捉小尺寸飞机的冲击波影像。

但近年来,NASA一直在研发新的纹影法摄影术用于捕捉全尺寸飞机产生的冲击波。

衍生的背景纹影技术(BOS)已经在风洞中试验成功。

研究人员首先捕捉背影图像,然后收集背影前的一系列的超音速图像。

冲击波可以让背影图像扭曲。

2011年8月首期的空对空飞行测试阶段被称作AirBOS 1,已经由NASA的F18测试成功。

高速摄影机安装在比奇空中国王B200飞机的腹部,其拍摄速度达到了109帧/秒,而受测试超音速飞机在其下面几千英尺以1.09马赫的速度沿水平直线飞行。

“空对空纹影摄影是飞行测试中重要的定位和观测技术,具有高空间分辨率,冲击波来自超音速航空器。”项目首席调查员Dan Banks说到。

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1864年德国物理学家托普勒发明了纹影法摄影术,而NASA进行了改良,让全尺寸飞机产生的冲击波也可以留下影像。

通常飞机在风洞中无法模拟出飞机穿越不同的温度和温度梯度,而这项技术让我们在真实环境的大气中看到了。

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音爆

物体接近音速时,会有一股强大的阻力,使物体产生强烈的振荡,速度衰减。这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。突破音障时,由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播,逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面,在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声,称为音爆(Sonic Boom)。

“大量的前期准备加上一点小小的运气,我们第一次试验就得到了动态图像和相应的数据。”首席研究员J.T. Heineck说到。

这项技术可以显示所有的密度变化,不仅仅是冲击波,还包括涡流和发动机羽流的影响。未来计划用于研究亚音速飞行流场。
羽流英文为plume,又称“缕流”,是从火箭发动机喷管喷射出来的羽毛状的高速高温燃气流。

研究人员再接再厉,目前已经进入了研究的第三阶段 -- AirBOS 3。

参加试验的超音速目标飞机包括NASA的f-15和来自空军试飞员学校(TPS)爱德华兹空军基地的T-38C。

科研团队运用NASA先进的影像处理技术去除了沙漠背景,显示出了冲击波的粗糙影像。

随后科研人员将多帧照片叠加处理,最终产生了一张清晰的图像。

“我们希望AirBOS图像可以用来验证或者改善目前的设计技术。”项目支持经理Brett Pauer说到。

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T-38C来自空军试飞员学校(TPS)的爱德华兹空军基地,担任NASA纹影成像系统的目标飞机。研究人员将进一步完美和改进这一技术。

本文译自 Dailymail,由译者 人一 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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