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高超音速中的马赫速度到底有多快?换算成千米每小时是多少?

马赫是常见的速度单位,经常会在飞行器的性能参数中表现,比如美国曾经装备过的SR-71黑鸟侦察机的性能参数为:

最大速度 3.28马赫(3,492km/h)

爬升率 ≥60米/秒

实用升限:24,285米

最大升限:25,900米)

最大航程:5,400公里)

翼负荷:460公斤/平方米)

推重比:0.382:1

相信熟悉飞行器性能的朋友一定会对这些数据叹为观止,因为3.28马赫的速度,即使放到现在也是一个极高的速度,比如F22的极速也就1.95马赫(公开数据,实际数据绝密)。尽管最大速度未知,但绝对不可能超过SR-71的速度。

马赫是速度单位,1马赫就是一倍音速,但各位一定发现了一个问题,SR-71的最大速度为3.28马赫(3,492km/h),似乎有些问题,音速为340千米/秒,据此计算,极速只有2.85马赫,哪来的3.28马赫,难道维基的数据错了吗?

事实上是维基的数据并没有错,马赫只是一个音速倍数的概念,而音速却是会改变的!

马赫与大名鼎鼎的恩斯特・马赫

恩斯特・马赫是奥地利-捷克实验物理学家,他的研究领域是光的传播规律和超音速现象,1887年他就发表了关于超音速抛体运动的声音效应(即音爆)。他推导并实验验证了高速抛体尖端的圆锥形冲击波的存在,这就是激波,还有流体速度与局部音速之比vp/vs,现在则被称作马赫数。

Ernst Mach

马赫的研究的超音速领域几乎就是现代飞行器的必经之路,二战的战斗机设计师就发现,当战斗机螺旋桨桨尖速度接近音速时效率急剧下降,另外平直翼在高速时候阻力极大等等,因此未来要进入超音速领域,必须有革命性的改变,因此后来出现了喷气式发动机以及后掠式机翼!

关于音速

声音在介质中传导的速度就是音速,它没有一个确切的数字,会随着介质密度的变化而变化,比如声波在钢铁中的速度为5900米/秒(纵波),铜材中的速度4900米/秒,水中的纵波速度为1497米/秒(25℃,蒸馏水),海水中速度略高为1531米/秒。

空气中的传播速度则会随着海拔升高而降低,比如海平面音速约为340/秒,但在SR-71黑鸟侦察机的升限24,285米处,音速为295米/秒,因此以此为标准,计算得3,492千米/小时,刚好等于3.28马赫。

关于马赫环

喷气式发动机或者火箭以及超音速冲压发动机在尾喷口后出现的一种一明一暗的尾流现象,称为马赫环,大神恩斯特・马赫第一个解释了这种现象,因此为纪念他而命名为马赫环。

SR-71黑鸟式侦察机所使用的普惠J58发动机打开后燃器时,高速高温的尾气,形成了明显的马赫环

马赫环原理

发动机喷出的尾流中流场十分复杂,当高温高压的尾流从尾喷口排入大气层时会经历局部密度剧烈变化,排气会经过一个膨胀过程,而大气压又会压缩尾流,因此会形成倾斜的冲击波,并且会反复交替出现而形成连续明暗相间的尾流。

关于高超音速飞行器

现代高超音速飞行器主要有两大类,一类是滑翔高超音速,另一类则是高超音速发动机推进的飞行器,前者是使用火箭发动机推进到高空,在利用其势能以高超音速滑翔的一种飞行器,其空气动力形状决定了其飞行特性。

高超音速发动机则有两类,一类是亚燃冲压,另一类则是超燃冲压,前者的气流在压缩后亚音速通过燃烧室,其燃烧特性还比较容易控制,一般现在的冲压发动机大都是亚燃冲压。

另一类超燃冲压则是压缩后的气流以超音速经过燃烧室,气流在燃烧室内的速度超过音速,停留时间极短,有人打比方,其难度相当于在12级台风中点燃一根火柴,并且要稳定燃烧,但超然冲压的发动机燃烧室稳定燃烧的难度显然要比这难得多。

当然还有一类比较有希望的高超音速发动机不属于冲压类型,而是脉冲爆震类,这类发动机不通过压缩气体,而是通过气体和燃料混合爆炸实现。

未来的空天飞机发动机,要么是涡喷+冲压,要么是爆震发动机,火箭发动机需要同时携带燃料和氧化剂,非常占空间,而冲压和脉冲爆震发动机可以利用大气层中的氧气,不过看起来无论哪种难度都极高,所以到现在都还没完全实现。

关于“摩擦加热”

飞船返回地球,流星体穿越大气层,很多书上都会告诉你这是发光的原因是飞船和大气摩擦产生高温,当然这解释也不是全错!

SR-71超音速飞行时的机身各处温度分布

但热量的主要来源却是高超音速的激波加热,因为当物体以远超音速的速度前进时,空气分子无法及时“通知”周围的空气分子,因此会被挤压到一起形成压缩面。

这个压缩面会以速度大致反比的方式扩散,形成激波,正前方与运动物体接触,高温会向物体传导,形成高温高压区域,而有的飞行器则会利用机翼将激波兜住,形成乘波体,此时的升力不是来自所谓的迎角和伯努利效应,而是激波。