飞行器要多少马赫才能达到光速 为什么飞行器要用马赫来描述速度

马赫，知道吗？

你听到这个问题之后，也许正在在心里回忆自己认识哪些“老马家”的人。

先把你的朋友圈放一放，这里说的马赫是一种单位，专门用来衡量运动中物体的速度。

马赫是什么？

马赫的定义是速度与音速的比值。所以，1马赫就是一倍音速，相当于声音的速度乘以1。

那么，声音的速度是多少呢？

这个问题可就难了。声音本质上是一种震动。当一个物体发生震动，它就成为了声源，从自身开始，把震动通过周围的物质传播出去。

这些能够传播声音的物质称为介质，传播声音的原理是它们会随着声源的震动而震动。组成空气的气体分子、组成水的水分子和种种固体物质都可以作为声音传播的介质。当然，在真空当中什么分子都没有，声音自然也无法传播了。

从声源发出的震动经过介质，达到我们的耳朵里，引起耳朵里鼓膜的震动，我们就听到了声音。

至于声音的速度有多快，取决于介质的密度，也就是介质中的分子、原子有多密。简而言之，就像是大家排排站，击鼓传花。人越多，站得越密，传得也就越快。

可是，密度并不是固定不变的。以最常见的空气为例，温度越低、海拔越高，空气就越稀薄，声音在其中的传播速度就越慢。

因此，为了研究方便，科学家们将温度为0℃、在纬度45度的海平面上测定的气压定为标准大气压。在标准大气压下，温度为15℃时，声音的速度是344米/秒，这就是标准音速。

在日常生活中，我们使用标准音速就可以了。不过工程师们在计算飞行器的速度时，就要根据飞行器在大气层中的位置来计算不同阶段的音速。

为什么飞行器才使用马赫？

我们平时走路的速度大约是1.5米/秒，为什么不可以说是0.004马赫？

还有公路上的限速都以“公里/时”为单位，为什么不也改成马赫？这样看着多高大上啊！

在日常生活里，使用什么速度单位都是为了便于人们理解。如果大家愿意使用马赫，也不会造成任何严重后果。

然而，如果飞行器不使用马赫作为单位，飞行员可就惨了。使用以音速为标准的马赫，才能让飞行员及时意识到，自己什么时候要撞上音障。

音障是什么？

上文提过，物体声音来自于物体的震动。那么，物体在震动时也会发出声音，会带动周围的介质一起震动。

当声音在空气中传播，空气分子随声源发出的震动被压缩，随后复原，将声音一波波传递出去。因此，空气被压缩又复原的速度就相当于在同样条件下的音速。

当飞行器在空气中行进时，它周围的空气也会被它推动。这时，飞行器前方的空气无法及时扩散，就会发生一定程度的压缩。

当飞行器的速度低于音速，这样产生的压缩将被它前方的空气以音速的速度传递。这就好像飞行器一边飞，它前方的空气帮着吆喝“它来了它来了，它脚踏祥云走来了”。于是，飞行器就能像一把刀子一样，在空气里穿行。

然而，当飞行器的速度达到音速的90%，它就能追上自己发出的声音。飞行器前方的空气还来不及把消息传播出去，飞行器自己就追上来了。这时，飞行器前方的空气会层层压缩，局部气流的速度超过音速，形成激波。这时飞行器身边的压强也会剧烈增加。压强加上激波的危险境地，被飞行员和工程师们称为“死亡漩涡”，也就是我们平时说的“音障”。

音障会让飞行器浑身颤抖，严重时甚至会把飞行器的翅膀活活撕下来，让它在半空中四分五裂。

如果天上有一架飞机撞上了音障，地面上的人会听到一声巨响，仿佛凭空发生了爆炸，这就是音爆。被剧烈压缩的空气并没有被束缚住，一边被压缩，一边也会向周围急速扩张，产生声波。炸药引发的爆炸声也是这么来的。

同时，地面上的人也能看到一个雾蒙蒙的圆锥体，包裹在飞机周围，这就是音爆云。音爆云的形成，也是因为空气瞬间被压缩，导致空气压强增大，其中的水蒸气沸点降低，迅速凝结成水珠。所以，音爆云和真正的云彩，都是由水蒸气构成的。

不是说飞机遇到音障会四分五裂吗？原来音爆云不是它爆炸了？

其实，人类飞行器早就能够平安突破音障了。

飞机如何突破音障

在二战期间，同盟国和轴心国双方都投入了巨大努力，争先恐后地研发更高、更快的战斗机。在这样的比拼当中，到了二战后期，战斗机平飞时的最大时速已经超过250米/秒，高速俯冲时则很可能突破音速。飞行员们逐渐接近了“死亡漩涡”，却对自己面前的危险一无所知。

1944年，一位德国王牌飞行员诺沃特尼登上一架崭新的飞机。这架飞机是德军交给他试飞的最新型号，军方希望这名王牌飞行员根据自己的经验提出改进意见。然而，在一次俯冲测试之中，这架飞机却当场粉碎，飞行员也尸骨无存。

一开始，人们怀疑是美国空军前来偷袭。但是凭借当时的战斗机，无论哪个国家的火力都不足以让诺沃特尼的座驾粉粹得如此彻底。

1945年，英国空军在试飞新型战斗机时，发生了同样机毁人亡的事故。一位工程师说，这就像飞机面前出现了一堵墙。

音障这个词和它带来的危险，才终于为人所知。

为了突破这个“魔障”，各国科学家和工程师都铆足了劲。很快，在1947年，美国XS-1式（后改名为X-1）试验火箭飞机迈出了超越音速的第一步。这架飞机靠火箭发动机提供动力，并且将传统的钝圆机头改为尖锥，整个飞机的造型也变得尖锐，飞机鼻子上还顶着针刺一样的空速管。

这种飞机的设计理念是，飞机应该尽快突破音障。在突破过程中，飞机上的每个部位应尽可能同时达到音速，以免机身各部位震荡频率不同导致解体。当然，即便如此，飞机仍然要经过一个极其颠簸的过程，这只能靠材料的强度硬扛。

凭借这些改良，到二十世纪五十年代，超音速战斗机开始量产。

到了七十年代，英国和法国共同推出了超音速的民用客机——协和飞机。不过，这款飞机很快就因为油耗过大以及事故频发，退出了市场。因此，虽然人类已经踏出了音障，但是民用客机仍然维持在亚音速水平。

新的“魔障”：热障和黑障

随着设计的发展，压缩后的空气无法困住人类的脚步。但是，这可不代表空气就此放了人类一马。

在超音速时代，飞行器速度越来越快，与空气摩擦产生的热量也越来越大。原本无所谓的小小热量，在飞机速度提升之后，成了危及飞行器的新障碍——热障。

飞机在起飞、爬升之后，会进入平流层做长距离飞行。在平流层中，当飞机的速度达到2马赫，机头温度升至120℃，达到3马赫之后，温度随之上升到370℃。

为了轻便，飞机的外壳通常是铝合金，在这样的高温下，铝合金强度飞快减弱，飞机也就变成“烤鸭”了。

不过，科学家们发现，热障出现在2.2马赫左右。当飞行器速度突破2.2马赫，虽然表面温度仍在升高，但散热能力也随之增强，因此高温不再威胁飞行器的安全。

这样，问题就简单了。一方面，借助材料工艺的发展，飞行器加装了更耐热、更轻便的钛合金甚至高分子陶瓷外壳。另一方面，科学家们也为超音速飞机设计了水冷系统，人工加快散热速度。

如果飞行器速度太大，大到足以离开地球、进入太空，就要使用烧蚀材料来散热了。这些材料反其道而行之，非常容易燃烧、融化最后汽化，这些反应都会吸热，因此也降低了飞行器的热量。

然而，当离开地球的飞行器打算回来，新的障碍又出现了。面对这个障碍，人类目前还是一头雾水。

2022年即将过去，我国已经完成了中国空间站在轨建造，神舟十四号带着航天员进入天宫已经有半年了。当这些航天员结束任务返回地球时，将在大气层内度过无比漫长的五分钟。

返回舱进入大气层后，速度能达到30马赫甚至更高，温度达到两到三千摄氏度。这时，涂装在返回舱外的烧蚀材料快速汽化，空气也在高温下发生电离，最终导致返回舱外包裹着一层等离子体鞘套。于是，返回舱一头撞进了黑障。

返回舱与地面通讯使用的是电磁波，而电磁波最怕的就是等离子体。等离子体会将电磁波反射甚至吸收，因此飞行器发出的无线电信号全部“融化”在这一片高温之中。外界传来的信号也无法突破。整个返回舱如同被一块黑布包裹一般，过程一般在五分钟左右。

在这五分钟之内，返回舱中的航天员仅凭自己的勇气和毅力抵挡失联的恐惧。而地面指挥中心的人们，也动用了全部的智慧来定位返回舱的准确落点，力求尽早找到他们。

到目前为止，人类拿黑障还没有办法。无论是消除等离子体的涂料，还是改变信号频率以穿透黑障最薄弱处，这些方法都只能尽量削弱黑障的厚度，却无法真正突破它。

然而，一代代科学家们仍然燃烧着自己的青春，力求早日照亮黑障，让人类的脚步迈向更遥远的地方。

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