飞机身后的“烟雾”是怎么回事?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-08-15

“白烟”和“彩烟”,都不是真正的“烟”,它们的产生原理有很大差异。

  日常生活中,我们常常可以看到飞机飞过后,天空中会有一条或数条长长的“白烟”。而在飞行表演中,我们则可欣赏到飞机尾部喷出五颜六色的“彩烟”,它们在空中幻化出美丽的图案,颇为炫酷夺目。

图1 - 连飞行轨迹都是爱你的形状(图片来源:wonderopolis.org)

图1 - 连飞行轨迹都是爱你的形状(图片来源:wonderopolis.org)

  其实,不管是“白烟”还是“彩烟”,都不是真正的“烟”,而且,它们的产生原理也有很大差异。那它们是怎么形成的呢?

高冷的“白烟”

  烈日炎炎,我们在吃冰棒时常会发现冰棒冒“白烟”。学过物理的小伙伴们对此不会感到陌生,所谓的“白烟”实际是由空气中的水蒸气遇冷凝结而成。多数情况下,飞机在空中留下的“白烟”,也是相同的道理。

  现代飞机基本都采用航空煤油作燃料,它以加氢裂化煤油馏分或直馏煤油馏分为原料,经精制水洗并添加适量抗爆剂、抗磨剂调和而成。航空煤油中含有大量的芳烃、烯烃等碳氢化合物,燃烧后会生成大量气态水。高温的水汽通过发动机尾喷管喷到空气中,遇到大气层中的冷空气后急剧降温、增湿,凝结成千千万万的小冰晶,从而在飞机发动机后面形成一条长长的白色尾巴。这条尾巴俗称“飞机拉烟”,而在航空气象学上,通常称为“飞机尾迹”、“凝结尾迹”或“尾迹云”。

  细心的蝌蚪网友们一定注意到,飞机并非每次飞行都会拉烟。比如,在燃爆的建军90周年阅兵式上,当英姿飒爽的歼20飞过时,我们就没有看到尾迹云。这就不得不提形成尾迹云所必须的飞行条件和气象条件。

图2 - 阅兵式上的歼20由于飞行高度低,未形成尾迹云(图片来源:北京时间网)【备注:此图为动图】

图2 - 阅兵式上的歼20由于飞行高度低,未形成尾迹云(图片来源:北京时间网)

  飞机拉烟的现象,通常只在喷气式飞机上才会出现。但喷气式飞机究竟能否拉烟,还要看温度和高度的脸色。一般来说,凝结尾迹只有在飞机周围环境温度很低的情况下才会产生。这里的“很低”有多低呢?答案是零下40摄氏度以下!因此,飞机必须飞行在近万米高的大气层中,才可达到这一温度要求。

  航空上把能形成尾迹云的大气层称为“拉烟层”,其高度受空气温度和湿度影响,在盛夏时节,拉烟层的下限高度比冬天高很多。尾迹云在空中一般可持续约30~40分钟,条件有利时,甚至能存在1小时以上。它好比人走路时留下的脚印,对客机来说并不影响飞行安全,但对战机而言,则很容易暴露飞机的数量、位置和轨迹,因此,战机在执行军事任务时会尽量避开拉烟层。

图3 - 尾迹云对于客机或许意味着优美,但对于战机则意味着危险(图片来源:www.airliners.net)

图3 - 尾迹云对于客机或许意味着优美,但对于战机则意味着危险(图片来源:www.airliners.net)

绚丽的“彩烟”

  和战机故意避开尾迹云不同,在特技飞行表演中,为了让观众能清晰地观赏飞机各种惊险动作的运动轨迹,身临其境地领略飞机性能和飞行技巧,飞机都会拉出一条条或红或蓝、或黄或绿的曼妙的“彩烟”。“彩烟”的形成原理与尾迹云完全不同。

  我们知道,硫酸酐(三氧化硫)溶于水会生成雾状的硫酸并放出大量的热。人们利用这一原理,将液态硫酸酐装进高压容器中,当飞行员通过拉烟剂施放控制系统将硫酸酐喷出时,硫酸酐便会迅速与空气中的水蒸气反应产生烟雾。通过在高压容器中加入不同颜色的配料,就会喷出颜色各异的烟雾。

图4 - 研究人员在进行地面试车拉烟试验(图片来源:参考文献[2])

图4 - 研究人员在进行地面试车拉烟试验(图片来源:参考文献[2])

  不过,由于硫酸酐对人体健康有严重损害,且其生成的烟雾会腐蚀飞机表面,如今早已被弃用。我国在多年前就已研制出多种无毒环保、颜色鲜艳、烟雾量大的新型彩烟剂,并成功应用于2015年纪念抗战胜利70周年的阅兵式上。据报道,当时八一飞行表演队在歼10上挂载了一个装有新型液体彩烟剂的大型容器,彩烟剂由专门的管线引至发动机尾喷管,在高温、高速的尾气作用下发生升华,从而形成烟雾。

图5 - 2015年9月3日,在纪念抗战胜利70周年阅兵式上,歼10采用了新型液体彩烟剂(图片来源:新华网)

图5 - 2015年9月3日,在纪念抗战胜利70周年阅兵式上,歼10采用了新型液体彩烟剂(图片来源:新华网)

风景or危害?

  飞机在空中留下的“烟雾”十分壮观,引人入胜。然而,这些“烟雾”美则美矣,却对大气环境有不小的危害。

  尾迹云的结构与卷云类似,均由大量冰晶组成,由于每天都有成千上万的飞机在空中穿梭,难免存在人造云效应,对天气造成影响。科学家们研究发现,频繁的飞行活动已经导致欧美部分地区云量增加。这些人造云一方面反射来自太阳的光照,使地球变冷,另一方面又吸收来自地面的红外辐射,使大气变热。

  或许有小伙伴会问,为何不让喷气式飞机在拉烟层以下飞行呢?实际上,飞机排放的废气中不仅有水蒸气,还含有大量二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物等有害物质。虽然飞机降低飞行高度后,可以避免形成尾迹云,但由于燃油消耗量也随之增加,并不能根治飞行造成的污染。

  幸运的是,各国政府和科学家们已经对此给予了广泛关注,相信在不久的将来,人们能够妥善解决飞机带来的环境污染问题。

图6 - 飞机“彩烟”美则美矣,但飞机排放的废气会对环境造成损害(图片来源:新浪网)

图6 - 飞机“彩烟”美则美矣,但飞机排放的废气会对环境造成损害(图片来源:新浪网)

  

参考文献:

[1] 贾忠湖. 飞行原理基础[M]. 北京:国防工业出版社, 2016.

[2] 刘飞保,陶厚生. 织练记——我军第二代彩烟剂揭秘[J]. 航空知识, 2007(8): 41-44.

[3] 周毅. “飞机拉烟”对大气环境的影响[J]. 气象知识, 1997(2): 10-11.

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