Почему вокруг реактивных истребителей образуются паровые конусы?

Он образует конус, потому что зависит от ударной волны , а область, окруженная ударной волной, имеет коническую форму.

См., например, кажущиеся конусы здесь:

Здесь они также видны:

Википедия, кажется, довольно ясно объясняет, почему конусы пара связаны с ударными волнами. Из вступления к статье о паровых конусах:

Атмосферная вода затем конденсируется и, таким образом, становится видимой, поскольку давление воздуха внезапно уменьшается на ударных волнах, связанных со сверхзвуковой скоростью потока.

Это также красиво помещено на странице сингулярности Прантля-Глауэрта :

Причина наблюдаемого конденсационного облака заключается в том, что влажный воздух попадает в область низкого давления, что также снижает локальную плотность и температуру настолько, что вызывает конденсацию. Пар исчезает, как только давление снова возрастает до уровня окружающей среды.

Поэтому нам просто нужно выяснить, почему эти ударные волны имеют коническую форму. Ответ на этот вопрос, по сути, заключается в том, что область внутри конуса находится под совсем другим давлением, чем область вне его. В любой заданной точке пространства поперечное сечение границы расширяется равномерно во всех направлениях (следовательно, это круг). Во внешней области молекулы воздуха находятся под одним давлением; во внутренней области молекулы находятся под другим давлением. Ударная волна является границей между этими двумя областями. Когда он движется наружу, молекулы, через которые он проходит, становятся под таким же давлением, как и другие молекулы внутри конуса.

Облачный диск, который скользит по фюзеляжу самолета с ускорением через число Маха I, можно объяснить физикой ультразвукового поля, создаваемого эффектом Доплера.

Звук, механический и аэродинамический, создаваемый самолетом, ускоряющимся до числа Маха I, ограничен звуковым конусом, вершина которого находится в точке на уменьшающемся расстоянии перед носом. На скорости I нос самолета является вершиной конуса. Звуковая энергия, генерируемая самолетом, в звуковом конусе распространяется со скоростью звука - вбок, перпендикулярно линии полета и вперед, где ее интенсивность возрастает перед передними кромками.

По мере увеличения скорости воздуха звуковая энергия в переднем звуковом конусе показывает возрастающую звуковую частоту с пропорционально уменьшающейся длиной волны (эффект Доплера). Уменьшение самолета до размера точки, аэродинамические и механические звуки самолета заключены в идеальный конус. На скорости I угол краев конуса к линии полета будет составлять 45 градусов (звук, излучаемый вбок от линии полета на том же расстоянии, что и самолет, движется вперед), создавая угол 90 градусов между краями конуса.

Для образования облачного диска необходима влага в виде ледяного тумана, водяного тумана или дождевых капель (ультразвук «распыляет» воду). Ультразвук, индуцированный допплеровским сдвигом, выталкивает (подметает) взвешенные частицы (включая капли) вперед от источника ультразвука (Либерманн Л.Н., 1949. Вторая вязкость жидкостей. Phys. Rev. 75, 1415-1422), которым является летательный аппарат; это создает облако в форме диска, его закругленные края определяются формой поперечного сечения звукового конуса. На скорости I облачный диск касается носа самолета. При ускорении свыше 1 Маха облачный диск скользит вдоль фюзеляжа (рис. 1), оставляя звук самолета позади.

Конденсация атмосферного водяного пара из-за ударной волны. Молекулы воздуха могут двигаться с пределом скорости звука (343 м/с), поэтому молекулы, ударяясь о корпус самолета, движущегося со скоростью ниже этой, удаляются. Как только самолет пересекает скорость звука, молекулы толкаются со скоростью, превышающей скорость, с которой они могут двигаться. Это вызывает ударную волну в воздухе вокруг самолета. При определенных условиях точки росы и относительной влажности ударная волна заставляет молекулы водяного пара конденсироваться и образовывать паровой конус.

Мы должны понимать, что происходят два явления. Один из них создает пар. Другой - то, что формирует пар в конус. В этом случае пар создается за счет локального падения давления ниже точки росы в воздухе непосредственно вокруг движущейся через него конструкции. Конус образован волнами высокого и низкого давления, распространяющимися от конструкции при ее движении в воздухе.