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各位同学，大家可以看到我这个题目——《激波狮吼功》。
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电视里的金毛狮王是不是很厉害？他可以用狮吼功伤害别人。要不要我给大家表演一下？但是我不会，所以我今天只能告诉大家，狮吼功是怎么来伤害别人的。这里有一个非常重要的科学概念，就是“激波”。
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各种场景中的激波
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《流浪地球2》大家看过吗？我是《流浪地球2》的科学顾问之一。接下来我要给大家看一个《流浪地球》电影片段的剪辑。大家可能有印象，当月球危机发生时，人类在月球上放了几千个核弹，派了很多航天员人为地引爆，那个场景很感人。
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大家注意看光球，一个一个核弹爆炸之后，出现很多很多光球最终叠加到一起，这就是相控阵。爆炸之后产生的这些光球最终把月球摧毁了。大家记住，是光球把月球摧毁了。因为核弹爆炸后形成了冲击波，也就是我们题目所说的激波。
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这是电影里的，接下来我们看一个实际的核弹爆炸场景。
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这是上世纪40年代美国人做的一个核爆试验，可以看到上头有很剧烈的变化，几千万吨水在瞬间被汽化。我们看得到激波吗？实际上看不到激波在哪里。但大家注意看，水面上有一股白色的浪一直在向外扩展，这是冲击波，也就是激波在水面上运动时造成的浪花痕迹。所以我们能知道激波在向外围扩展。冲击波会造成很严重的伤害，海面上有很多舰艇包括军舰，在这个过程中，激波把这些船全部摧毁掉了。
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工业厂房中也可能产生爆炸，这时有一个蘑菇云升起来，其实跟核弹爆炸的场景差不多。但大家注意看，刚开始闪过的那一道白光实际上是激波引起的，但并不是真正意义上的激波。只是说激波引起了这样一个现象，所以能看得到这个东西。
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飞机在飞行过程当中，它的发动机出口产生高速的气流，长长的火焰就跟一串麻花似的。实际上里头有复杂的激波在产生相互作用，有复杂的结构。但是我们看到的实际上是火焰，而并不是真正意义上的激波。
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总结一下，激波有几个特点：第一个，其实肉眼没办法直接看到，只能通过一些间接方法去看。比方刚才看到水面上有波浪，发动机出口有火焰，工业厂房爆炸有一道类似白色的光芒。
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第二个是传播速度非常快。刚才看到的这些波传播速度都会达到1-2千米/秒甚至更快，核弹爆炸时速度甚至会达到几千米每秒。
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第三个是它会造成极强的破坏。比方说看电影，炸弹爆炸时它的伤害有两部分。第一个是冲击波造成的伤害，还有一个是后头的弹片，如果是核弹的话还会有核辐射等等。所以破坏力极强，这是它的一个基本特点。
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看不到怎么研究它呢？我们可以通过一些特殊手段。上图这里有一个界面，是水面，底下有个小黑球，炸了之后水下爆炸产生冲击波，空气中产生一道白色激波，水下波的速度实际上比空气中波的速度要快，快好几倍的样子。
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为什么呢？空气中声音速度比较低，是340米/秒，水中声音速度是1400米/秒，而在水中激波以超音速传播时，它的速度会比空气当中更快。
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飞机飞的过程中是不是也会产生激波？大家能看到上图中各种各样的痕迹，有白色的、黑色的印记，这就是激波。飞机在以超声速飞行时，周围会形成这样的激波。
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大家看电影或电视时，飞机在地面附近突破音障，发出的声音非常响，会把窗户玻璃都炸碎，就是激波在作用。所以“狮吼功”很厉害。
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刚才说了那么多，离大家都很远，其实激波在现实生活中都能接触到。马路上如果有老人或其他人甩鞭子，大家注意听一下，那个声音很清脆，也比较响，比较刺耳。
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看这个动画，鞭子的头甩起来，产生了一道黑色阴影往外扩散，这就是激波。如果离得很近会造成伤害，可能会把耳膜震坏等等，这就是在实验室中观察到的激波。
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狮吼功的威力有多大
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再回归到题目，狮吼功怎么伤害大家？实际上我说话，大家能听到我的声音，如果这个声音变得很强很强，那听到的就是非常强的噪音。
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列车在行进过程中，如果列车拉汽笛，我们站在列车前方听到的声音会很刺耳。屏幕上这个车从右边往左边开，如果一开始在车前方，声音会很尖锐、很刺耳。为什么呢？列车速度跟声音速度有一个叠加，波会变得更短，频率更高，所以听到的声音会非常尖锐。但如果列车开过去以后再听这个声音，就会相对来讲比较舒服一些。
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如果不在车上，而在飞机上。飞机飞的时候接近音速，发出的声音前头、后头的声音叠加到一起，就像左边这张图。
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如果以超音速飞行，这个圆圈就代表声音在往外扩散，我跑的比这个声音更快，它会形成这样一个锥，这时飞行器周围会形成激波，也就是刚才大家在图片上看到的。
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给大家解释一下为什么它变得很强。在激波前后，比方说激波速度非常快，马赫数是5，也就是速度达到声音速度的5倍，那激波前后的压强会差多少呢？差29倍。也就是说，现在是1个大气压，激波过后就是29个大气压，如果达到马赫数20，是声音速度20倍，后头就会达到400多个大气压。
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400多个大气压相当于大概5000米水深，所以可以想象，如果有这么强的波作用，相当于把你按到5000米水下去，带来的伤害非常大，这就是狮吼功造成的影响。所以它的特点是传播速度非常快，破坏力非常强。
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观察激波的方法
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前面说过，肉眼没办法直接看到激波，那我们在实验室中怎么去看它呢？这里给大家介绍两个方法。
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第一个叫纹影法，具体细节我不解释了。左边这张图是一个子弹在飞，它周围产生了激波，激波在地面上还会产生反射。这就是刚才所说的飞机突破声障超过声速时会产生的各种各样的冲击波，会对地面上的人以及建筑物造成伤害。
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第二个是子弹出膛。大家看到右边是一把步枪，有一个子弹从枪里打出来，实际上开枪时听到的声音主要包括两部分。第一部分是子弹在飞的过程中周围产生激波，就是这个子弹周围大家看到的痕迹。另外还有一个是大家看到的比较大的这个圆，这是火药燃烧从枪口喷出来之后对空气产生压缩，形成一个球形的波。实际上枪的声音包括两部分，当然耳朵可能很难分辨出来。
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所以消音器要消两个部分。第一要把子弹的波消掉，实际上不可能，除非把子弹速度降低，影响才会变小。另一个是把枪口这一部分气流产生的影响消除掉。所以消音器不像我们在电影或电视上看到的把射击的声音变得那么小，它的声音其实还是比较响的。
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刚才看了在海洋当中发生的核爆。我们在实验室中如果要研究激波产生的伤害以及它怎么发展、演化，不可能弄一个核弹放到实验室去爆炸，所以在实验室可以通过一些特殊手段去模拟。
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怎么弄呢？好比刚才看到枪在射击时气流在枪口会产生这样的激波，在这个动画中大家看到的就是用类似的方法形成的激波。动画内高高矮矮的是房子，这时可以看到激波会对周围建筑物产生什么样的影响，以及它在过程当中怎么变化等等。
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另一个是干涉法。这个球以超音速飞行，前头形成激波，但后头有很多很多条纹，每一个条纹都代表一定的具体密度值。去数条纹就可以数出这个地方大概密度会达到多少，压强会达到多少等等。这个研究方法会比刚才的纹影法更加细致。
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细节我就不讲了，大家看两个方法间的对比。左边是纹影法，右边是干涉法。SWDP（Serial Wire Debug Port)是我团队的名字，这两个方法能看到激波都是从左往右跑，跟SWDP字体产生各种各样的相互作用。
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在这个过程中，波在里头发生各种各样的绕射、衍射，还会产生各种各样的漩涡，大家看到好多东西在那儿转，实际上就是漩涡，会产生各种复杂的作用。这就是用来研究的一些基本方法。
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飞机为什么能超过声速
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再给大家科普一个概念——声障。
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在上世纪40年代，科学家认为飞机不能超过声速。为什么？接近声速时飞机会剧烈地振动，振到一定程度后就会散架，而且阻力非常大，会飞不动。
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实际上的问题是，飞机在接近声音速度时，机翼上表面的气流已经超过了声音的速度，所以上表面会形成激波，激波在这个地方又来回晃，所以让机翼振动，最终把机翼振散架。
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这个问题是谁揭露出来的呢？两个非常著名的科学家，钱学森、郭永怀。这两位科学家的故事我就不在这讲了，他们都是我国两弹一星功勋科学家，实际上他们在回国之前就已经是国际上非常有名的空气动力学专家。
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他们联合发表了一篇论文，名字不详细说，最后有几个字叫“上临界马赫数”，它揭示了刚才所说的现象，在机翼上表面形成激波，最终导致飞机散架。
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声障怎么突破？最简单的就是一定要有足够的动力、有很好的发动机，可以推着飞机迅速突破声音速度，突破声障时飞机一开始会振，但因为时间非常短，没有来得及振坏就已经突破声速了。
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实际上在40年代，通过火箭发动机就推着飞机使劲冲过声障去了。到后来战斗机已经可以用喷气发动机来实现超声速飞行。后来喷气式战斗机的划代，一代、二代、三代、四代等等，实际上从第一代战斗机开始就可以突破声速了。
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激波与高超声速飞行
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我是研究高超声速飞行的，在高超声速飞行过程中，飞行器周围会产生激波，激波会造成阻力，对飞机进行加热。
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最左边这张图，前头形成了一个激波，像不像一张弓？这时它的阻力极大，怎么办？我要对它进行减阻。我在前头装一个支杆，这时激波的形状就从一个弓变成了一个锥，阻力可以降低70%。
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所以提醒大家，看超人电影的时候，超人在飞的时候一只胳膊伸在前头，你们注意，他那个胳膊有的电影当中周围会有一圈白色光芒，这就是冲击波。所以超人也知道飞的时候把胳膊伸在前头会降低阻力，好多电影已经做了这个细节。我们游泳尤其自由泳有一个动作就是把胳膊伸到前头去，实际上也是有减阻效果。
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另外，在飞行器周围会形成非常强的激波，左边两张图是“天问一号”，就是咱们去火星的那个飞行器。进入火星时它跟火星大气会形成冲击波。
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我们在实验室当中做相应实验，可以看到2千米/秒到2.6千米/秒时，空气开始发光，如果再到10千米/秒，空气变成蓝色的了，不再是简单的、无色无嗅的空气了。这时空气变得很复杂，会产生各种各样非常复杂的相互作用。
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第一张图这个激波，波后空气温度大概是多少？1800℃，到第二张图就达到2900℃，第三图达到大概10000-12000℃。温度非常高，所以飞行器在飞行过程中非常危险。
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在这里讲个题外话，流星大家看到过吗？我们通常说流星是跟空气摩擦烧掉了，实际上要比这个过程更复杂一些。流星其实很多是致密的金属，进入大气层的速度非常快，达到10千米/秒甚至更高。进入大气层时跟空气相互作用，在前头就会形成非常强的激波，就是刚才给大家看到的图上那些激波。
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这些激波波后的温度会达到几千度、上万度，高温的空气再跟陨石相互作用。所以我们看到的流星拉出来的长尾巴实际上是两个部分。第一部分是空气本身发出来的光，第二个是把陨石烧掉形成的高温尾迹。
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这是美国的航天飞机，它再入大气层时周围会形成高温空气。有一个概念大家知不知道？“黑障”——飞行器周围的空气变成了等离子态，相当于一个金属罩把它罩起来。这时航天飞机有大概几分钟到十几分钟时间跟地面没办法做任何通信。为什么呢？外面电磁波进不去，里面的电磁波也发射不出来。这个过程就叫黑障，是非常危险的几分钟。
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包括飞船也是一样，这是电影《地心引力》，女主角借助中国“神舟”飞船从太空进入地球，周围有非常炙热的火焰。这是电影做出来的效果，实际上飞行过程要比它远远厉害得多。我曾看过嫦娥探测器返回地面时的照片，已经烧得非常厉害，整个过程非常危险。
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讲了那么多，其实激波跟飞行相关的事有很多很多，所以我们专门做了激波风洞。风洞是什么？飞行器在天上飞，空气是不动的。但我们做实验时飞行器模型是固定在这儿，产生高速气流来吹这样一个模型。这个过程需要很大能量，所以通过激波来对空气进行加热，这是非常特殊的工作形式。
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在我们实验室有两个风洞，一个叫JF-12复现风洞，一个叫JF-22超高速风洞。这是两个国际上对应领域最先进、规模最大的风洞，也欢迎大家有机会到我的实验室参观
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最后给大家分享一点小小的情怀。 我们的风洞能做到国际上最先进，为什么呢？我们花了几十年时间去努力，每一个人都努力地工作。从1958年开始，然后到1998年、2008年、2018年，有很多很多台阶，很多很多困难的地方，我们都迈过去了。对于大家来讲，无奋斗，不青春。
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我的报告就到这里，谢谢大家！
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