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“马赫”到底是什么意思?15马赫的速度飞一小时,能飞多少公里?

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一架飞机正对着你的方向压过来,你举起望远镜,能看清尾喷口窜出的火苗,能看见它下方的树梢被一股看不见的力量整片压弯。可你的耳朵里,什么都没有。四周安静得反常。

就在它掠过头顶的那一瞬,天像塌了一样炸开一声巨响,压力猛地砸下来。

你刚刚经历的,是音爆。而决定这声炸响出不出现的,是一个被写成"马赫"的数字。



先把这个词说清楚。马赫不是米、不是公里,它压根不是一个长度单位换算出来的速度值,而是一个比值——物体的速度,除以它所处环境里的音速。

这个名字来自奥地利物理学家恩斯特·马赫,他早年研究的就是物体高速穿过空气时产生的冲击波。

所以1马赫的意思是"和声音跑得一样快",超过1马赫,就意味着物体跑赢了自己发出的声音,音爆随之而来。



关键就卡在"所处环境"这四个字上。海平面附近,空气密实、温度高,音速大约在每小时七百六十英里上下,换算过来一千二百公里出头。

爬到万米高空,气温掉到零下五十几度,音速反而慢下来,只剩每小时六百六十英里左右。同一个数字1马赫,在地面和在高空,代表的绝对速度差了将近一百英里。

这也是为什么陆地极速纪录保持者安迪·格林开着那台"推进号",只跑到每小时七百六十三英里就算突破了音障——他贴着地面跑,脚下那层空气的音速就是那么高;而协和式客机在五万多英尺的高度巡航,同样是突破音障,门槛却低了一大截。



两者都实实在在炸出了音爆,可推进号需要拼命堆速度才够得着,协和式在高空则轻松得多。

搞明白这一层,标题里那道题就好算了。按高空的音速去乘,十五马赫大约是每小时一万六千公里的量级;要是贴着海平面算,还能再往上冲一截,逼近一万八千公里。这是个什么概念?

北京到纽约的直线距离一万一千公里出头,这个速度飞过去,用不满一小时。地球赤道一圈四万公里,两个多小时就能绕回原点。



你早上出门前按下起飞键,还没等你把一顿早饭吃完,它已经把太平洋甩在身后了。

只是这个数字听着轻巧,人类真正把它啃下来的过程,一点都不轻巧。

一九四七年十月十四日之前,军方试了很多年。

每一架逼近音速的飞机都会撞进一片剧烈的湍流里,机身四面八方同时承受越来越大的压力,整架飞机开始疯狂抖动,有的直接被撕开,飞行员连人带机摔了下去。



这种事一次次发生,很多人开始相信音障是老天爷给人类划的一条线,过不去。

查克·耶格尔把这条线踩碎了。那天他被安全带牢牢固定在一架亮橙色的贝尔X-1里,机身上写着他妻子的名字"魅力格伦尼斯"。

这架小飞机自己飞不上去,是被塞进B-29轰炸机的弹舱,带到加利福尼亚干湖上空两万五千英尺才投放的。



脱钩之后,X-1一路冲到四万英尺,速度压过了每小时六百六十二英里,超过了那个高度上的音速。

真正起作用的不只是勇气,还有那架飞机为了在湍流里保持稳定所做的气动改进,以及耶格尔本人的操纵技术。换个人坐进那个座舱,扛不扛得住那份抖动,谁也说不准。

那么飞机跑赢声音之后,到底发生了什么?



把空气当成水来想,是最容易理解的办法。船在水面上走,船头会不断向外推出涟漪。飞机在空气里飞,产生的声波同样一圈圈往外扩。

等飞机的速度超过声波扩散的速度,声波就再也跑不到飞机前面去了——这就是为什么一架超音速飞机朝你飞来时,它到达之前你听不见任何动静。声音全被落在了后面。

被落下的能量不会凭空消失。飞机前后的压力发生突变,挤压出一道冲击波,这才是音爆的本体。



它也不是一个点,而是一个锥形,学名马赫锥。锥体扫过的范围里,所有人都会挨这一下,所以飞机根本不需要从你正头顶飞过。

还有一点容易被弄错:音爆不是发动机的噪音。它是飞机前方堆积起来的高压空气,在飞机让出位置的那一刻突然塌回去所产生的。

你把手在空气里来回快速挥动,能感觉到空气"贴着"手流过,那是因为手离开后留下的低浓度区域被周围的分子迅速填补。



如果你的手能挥到每小时七百六十一英里,你的手边就会响起一声小型音爆。飞机干的是同一件事,只是尺度大得多。

音爆的强弱,也不是速度一个变量说了算。飞机的重量、尺寸、形状都在里面。

大而重的飞机挤开的空气远多于轻小的飞机,排开的空气越多,压力回填时的动静就越大。

高度同样关键,飞得越高,马赫锥铺开的范围越大,因为冲击波要走更远的路才能落到地面。



研究人员给这个覆盖范围起了个名字,音爆区,也叫音爆地毯。它的宽度大致是每升高一千英尺对应一英里——一架在六万英尺高度飞行的超音速飞机,地面上大约六十英里宽的一条带子都在它的影响里。这条带子里各处的感受并不一样,正下方最狠,越往边上越弱。

更少有人知道的是,任何超音速物体产生的都是两声音爆,不是一声。机头前方堆起巨大压力,是第一声;机尾后方压力骤然回落,是第二声。

两声强度大致相当,间隔多长只取决于机身有多长。飞机又长又笨重,两声之间就拉得开;飞机又小又薄,两声几乎叠在一起,听上去像只有一下。当年航天飞机返回大气层时速度远超音速,机身又大,两声之间的间隔明显到谁都能听出来。



速度对音爆强度的影响,反而没有想象中那么大。从1马赫加到1.3马赫左右,音爆威力涨得很凶;再往上加,变化就微乎其微了。倒是机动动作影响巨大,一个S形转弯,压力堆积更狠,音爆强度会明显蹿一截。

正因为这一下砸在人、动物和建筑上都不好受,超音速飞机被禁止在人口稠密地区上空飞。

协和式服役期间,航线沿线的居民没少抱怨,那声炸响会把人惊得一激灵,长期下来和焦虑水平的上升挂上了钩,极端情况下甚至可能伤到听力。所以超1马赫的飞机通常绕开人口密集区,实在要飞过去,就把速度降下来。



音爆的计量单位是磅每平方英尺,不是分贝——因为它本质上是压力的变化,不是响度的变化。协和式以2马赫在五万两千英尺高度巡航时,地面承受的大约是一点九磅每平方英尺。

这个量级足以让正下方的人感到不适,也足以让某些建筑的玻璃裂开。要是普通人家的窗户三天两头被震裂,谁又忍得住不去投诉?

回到十五马赫。到了这个量级,音爆已经不是主要矛盾了。

飞行器面对的第一道坎变成了热。空气被压缩、被摩擦,机体表面温度能冲到上千摄氏度,普通合金撑不住,得靠特种耐高温材料硬扛。

第二道坎是通信,高速穿行时飞行器周围会被电离出一层等离子体,无线电信号打不进也打不出,这就是航天返回舱重返大气层时的黑障。飞船返回时的速度还要更高,二十几马赫的量级,黑障持续那几分钟里,地面只能干等。



也正因为难,这个领域一直是各国下重注的地方。中国在这一块的投入并不声张,怀柔那座超高速风洞能在地面复现几十马赫的飞行条件,让飞行器在真正上天之前先在实验室里被"吹"上无数次;东风-17这类高超音速装备在国庆阅兵上公开亮相,背后是几十年风洞、材料、控制一步步啃出来的积累。这些东西没法靠临时突击,也没法从别人手里买。

耶格尔冲过音障的那架X-1,机身不到十米长,火箭发动机烧几分钟燃料就见了底。今天风洞里被反复吹打的模型,冲的是他那次的十几倍。可空气还是那口空气,谁跑得比声音快,谁就得挨那一下——七十多年过去,这条规矩一个字都没改。

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