为何战机发动机会出现线条纹尾焰？揭秘“马赫环”现象

为何战机发动机会出现线条纹尾焰？揭秘“马赫环”现象

战机发动机尾焰中出现的线条纹，是一种被称为“马赫环”的物理现象。这种现象不仅在战斗机中出现，也在运载火箭和导弹中可见。本文将详细解释“马赫环”的产生原理及其在不同飞行器中的表现。

上图是B-1B战略轰炸机夜间飞行时发动机开加力后，在尾喷口形成的“马赫环”。

战斗机通常不使用超音速飞行，只有在快速接敌时才会将发动机推至最高功率，此时发动机会开加力、尾喷口大张，可在极短时间内进入超音速状态，形成“马赫环”。这种现象是由于尾喷口产生的激波引起的，形成连续的膨胀波和压缩波，环状为“膨胀波”，条状为“压缩波”，其原理类似于我们“吐烟圈”的过程。

F-22战斗机由于具备超音速巡航能力，因此产生“马赫环”的次数较多。

然而，过多使用超音速飞行不仅耗油，还会对发动机造成较大磨损。当飞机速度达到0.9马赫时，尾喷口的气流就会形成局部超音速，从而出现不明显的马赫环。

上图是F-15战斗机发射AIM-120导弹时产生的马赫环。

除了战斗机，运载火箭和导弹也会产生“马赫环”。运载火箭需要超音速飞行以摆脱地球引力，将卫星送入太空。导弹，特别是空对空导弹，需要达到3马赫的飞行推力才能追上超音速飞行的战斗机。

“马赫环”的产生原理

“马赫环”是一种在气体高速流动时产生的物理现象。当战斗机加速时，发动机尾焰的速度可能超过音速，从而形成马赫环。具体来说，这种现象是由于飞机或导弹出口气流达到超音速时，尾喷流产生激波引起的，形成连续的胀波和压缩波系。飞机在飞行时，尾喷管采用拉瓦尔喷管，从两侧壁面流出的气流在外界发生折转，并被多次折射、交叉，形成这种尾焰，也称为马赫盘。

这种现象类似于空气被高速行进的战斗机“划开”后又在喷口后方收拢，形成环状气密带。由于温度较低，气密度较大。喷射引擎向后排放的气流在发动机内部反复碰撞，排出后遇到收缩的气环而反弹，冷空气被高速撞击并导热后也被回弹，双方气流交互形成筒型空气壁。较热的气体在其中反复反弹，逐渐失去热能，导致温差空气筒直径越来越小，最终当高温空气降至无法发光的温度时，光环就会消失。

其中，空气中的水在高温下分解为氢氧离子，这些离子被点燃膨胀，形成一波一波的爆炎，直到温度低于氢的燃点。专家指出，这种现象通常发生在战机即将或已经超音速飞行时，在发动机尾部排气过程中出现环状图案。当火焰以超音速冲出喷口时，如果与大气压不同，就会产生这种现象。其原理可以参照吐烟圈，即激波在大气中产生压缩或膨胀时所引起的特殊现象。理论上，在理想气体中，这种环波可以无限制造。但在实际生活中，由于气体摩擦和剪力的存在，激波结构会逐渐消磨，直到排出的气波与空气压力达到平衡，此时环状波就会中断。

然而，这种现象并非在战机飞行的所有时刻都能观察到。因为超音速飞行会大幅增加油耗，并对发动机寿命产生不利影响，所以战机一般在巡航阶段只采用亚音速飞行。即使像F-22这样发动机推力巨大、性能优良的战斗机，也不会长时间保持产生马赫环的飞行状态。

上图展示了马赫环的详细结构和形成过程。

总结来说，不管是液态、固态还是喷气式发动机，只要其尾气速度达到0.9倍音速以上，就会产生马赫环现象。马赫环作为一种壮观且美丽的物理现象，极具震撼力。