1、我们经常能够看到战斗机加力起飞中,尾喷管回喷出一节一节的漂亮钻石型尾焰,在夜间尤为清晰,比如图中这架苏-30战斗机。其实除了战斗机之外,火箭在夜间发射时,也能观察到这种尾焰。
2、这种尾焰就是战斗机开加力时,超音速喷流独特的“马赫环”(Mach disk)现象,得名来自著名物理学家恩斯特·马赫。由于其一节节的钻石型火焰,该尾焰也被称为钻石型激波(Shock diamond)。
3、马赫环的形成原因细说起来有些复杂,但基本可以理解为因尾焰喷流内复杂超音速流场,于是在激波作用下,局部喷流的密度和压力产生了规律突变所致。
4、当发动机超音速喷流离开尾喷管后,由于喷流静压小于环境气压,所以喷流会略微膨胀,喷流压力则随着气体压力而降低。当喷流压力降低到低于环境气压时就会受到周围大气的压缩收拢,使压力再度变高。于是喷流压力就这样反复震荡变化,自动重复这膨胀与压缩循环,直到最后喷流压力与环境气压完全相同为止。
5、在这个膨胀与压缩过程中,超音速喷流内会产生一系列复杂的斜激波和正激波,以及普朗特-迈耶膨胀波和普朗特-迈耶压缩波。这一系列复杂激波会导致喷流在膨胀和压缩段交界处温度急剧升高,高到足以再次点燃喷流中任何残存燃料,使其燃烧发光。正式这些燃烧着的剩余燃料,形成了一节一节的菱形火焰图案,使马赫环在喷流中闪闪发光。
6、除了战斗机发动机的加力尾焰外,在大气层内工作的火箭发动机、冲压发动机或超音速燃烧冲压发动机都会产生马赫环。在外太空工作的火箭发动机则无法看到马赫环,因为这里没有大气,喷流无法进行膨胀与压缩循环,无法产生激波点燃喷流中的剩余燃料。
7、所以发动机马赫环的形成需要三要素:超音速喷流、大气层内飞行、喷流中的剩余燃料。