1947年10月14日,美国加州的沙漠上空,一架橙色小飞机从B-29轰炸机的弹舱里被放了出去。驾驶它的耶格尔,两天前刚骑马摔断了两根肋骨,硬是忍着伤挤进了座舱。
没过多久,机上马赫表的指针猛地跳出了刻度盘,地面上的人听见了两声闷响。那一刻他的速度是1.06马赫,人类第一次在平飞中跑赢了声音。
问题来了:这个“马赫”到底是什么意思?1马赫到底有多快,换算成每小时又是多少公里?
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先把那个读数拆开。1.06马赫,意思是耶格尔当时比他身边的声音还快上那么一点。马赫这个“单位”,其实既不量长度,也不量时间,它本身就是一个比值:拿飞机的速度,去比当时当地的声音。
“马赫”本来是个姓。恩斯特·马赫,奥地利物理学家,也是个哲学家,生于1838年,1916年去世。他这辈子没见过飞机超音速,却最早把超音速“拍”了下来。
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有意思的是,“马赫数”这个词并不是他自己起的。
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算法一句话就能说完:Ma=V/a。V是物体的速度,a是当地的音速,一除,得数就是马赫数。小于1叫亚音速,大于1叫超音速,到了5左右往上,就是高超音速。
翻成大白话:得数比1小,声音永远比你先到;得数比1大,你就跑到了声音前头。说白了,马赫数就是拿声音当尺子去量速度。
子弹这把尺子,后来还真用到了飞机身上。X-1的外形就是照着.50口径子弹做的,工程师的想法朴素得很:子弹能超音速,飞机凭什么不能?耶格尔那天的空速,大约是每小时1127公里。
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可账一算就不对劲了:1.06马赫才1127公里,那1马赫岂不是只有一千零六十三公里左右?跟常听说的1224,差了一大截。到底是哪儿算错了?
对不上就对了。马赫数的分母是“当地音速”,而声音自己跑多快,是会变的。尺子本身会伸缩,量出来的结果自然要看在哪儿量。
最常用的那组数是这么来的:15℃、一个标准大气压下,空气里的声音每秒跑约340米,换成时速就是约1224公里。国际标准大气取得更细一点,是340.3米/秒,合约1225公里,差这一公里不用较真。
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记住这一组就够用了:标准条件下,1马赫约340米/秒,约每小时1224公里。不过,这句话前半截的“标准条件”,一个字都不能省。
因为温度一降,声音就跑慢了。0℃时,音速只有331.4米/秒,约每小时1193公里。气温每升高1℃,音速大约多出0.6米/秒。
道理不难懂。声音是靠空气一层推一层传过去的,天越冷,空气越“懒”,往下传话的劲头就越慢,声音自然也就跑不快。
换句话说,三伏天和数九寒天,同样叫“1马赫”,时速能差出几十公里。你在冬天和夏天各报一次“1马赫”,嘴上说的是同一个词,实际却不是同一个速度。
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往天上飞,差得更狠。一万米高空又冷又稀,音速只有约295米/秒,合每小时约1062公里,比地面那个1224少了一百六十多公里。
这时候回头看耶格尔,账就平了。他是在约13100米高空跑出的1.06马赫,那里的声音本来就慢,折成时速自然只有1127公里。同样一个马赫数,放在海平面和放在高空,根本是两种速度。
那为什么航空界偏爱用马赫,而不直接报公里数?
因为飞机真正在乎的,是自己和声音的关系。快到接近音速时,机身上会冒出激波,阻力暴涨、机身发抖,这些事什么时候来,看的是比值,不是公里数。马赫数一报,不管飞多高、天多冷,大家说的都是同一件事。
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所以真要回答“1马赫相当于每小时多少公里”,得先把条件带上:15℃海平面,约1224公里。脱开条件把它说成一个死数,就不准了。
1224公里每小时,放进日子里到底多快?光看数字没感觉,得找几个熟悉的东西来比一比。
先放到地面上比。高铁跑350公里时速,已经够快了,1马赫是它的3.5倍。北京到上海直线一千二百公里上下,就算按350公里时速一路不停,也得三个多小时;按1马赫飞,差不多一个小时就到,一顿午饭的工夫。
再放到天上比。民航客机巡航一般在0.78到0.85马赫,时速九百到一千零几十公里。你坐过最快的那趟航班,离1马赫还差着一截,1马赫比它最快的巡航还要快上两成左右。要是放到枪口比,1马赫大致就是一颗手枪子弹出膛的速度量级。
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那客机为什么不干脆飞快点?因为一跨过1马赫,就得付账,而且这笔账不只是飞机自己掏。
协和客机证明过人能飞这么快。它在15000米高空以2马赫以上巡航,伦敦到纽约三个多小时,1996年最快的一趟只用了2小时52分59秒。
账单也跟着来了。超音速飞机从头顶掠过,地面会听到两声音爆,耶格尔当年让地面听见的那两声闷响,就是它。协和在16千米高空飞2马赫,地面压力冲到93帕,声压级超过80分贝。
天上的人省了时间,地上的人却要挨震。美国早在1973年就把陆上超音速飞行挡在门外,协和一进美国领空,就只能降回亚音速,最拿手的本事在大片陆地上根本用不出来。
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研发成本涨到最初估计的10倍,最后只有14架投入服务。2000年法航那次坠毁,113人遇难。成本、客源、事故一起压下来,2003年,协和全部退役。快是真快,飞不起也是真飞不起,这一停,就是二十多年。
转机出现在2025年。1月28日,Boom公司的XB-1验证机在加州莫哈韦沙漠上空加速到1.122马赫,约每小时1207公里。之后的试飞里,NASA确认地面没有听到音爆。
从1947年沙漠上那两声闷响,到今天,答案其实很简单:马赫是什么意思?它是那位拍下子弹激波的奥地利人的姓。1马赫到底有多快?就是跟当地声音一样快,标准条件下约340米/秒,相当于每小时约1224公里。
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当年耶格尔忍着断肋骨才跑赢声音,七十多年后,XB-1以1.122马赫从同一片沙漠上空飞过,地面上一片安静。1马赫离民航,又近了一步。
参考资料:
国际标准大气.北京航空航天大学航空发动机研究院
Breaking the Sound Barrier: Chuck Yeager and the Bell X-1.史密森国家航空航天博物馆
航空界的"死亡魔咒"是如何被征服的.北京科技报
音速.科普中国(中国航天科普官方平台)
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