高超音速中的馬赫速度到底有多快?換算成千米每小時是…


高超音速中的馬赫速度到底有多快?換算成千米每小時是多少?的頭圖

高超音速中的馬赫速度到底有多快?換算成千米每小時是多少?

馬赫是常見的速度單位,經常會在飛行器的性能參數中表現,比如美國曾經裝備過的SR-71黑鳥偵察機的性能參數為:

最大速度3.28馬赫(3,492km/h)

爬升率≥60米/秒

實用升限:24,285米

最大升限:25,900米)

最大航程:5,400公里)

翼負荷:460公斤/平方米)

推重比:0.382:1

相信熟悉飛行器性能的朋友一定會對這些數據嘆為觀止,因為3.28馬赫的速度,即使放到現在也是一個極高的速度,比如F22的極速也就1.95馬赫(公開數據,實際數據絕密)。儘管最大速度未知,但絕對不可能超過SR-71的速度。

馬赫是速度單位,1馬赫就是一倍音速,但各位一定發現了一個問題,SR-71的最大速度為3.28馬赫(3,492km/h),似乎有些問題,音速為340千米/秒,據此計算,極速只有2.85馬赫,哪來的3.28馬赫,難道維基的數據錯了嗎?

事實上是維基的數據並沒有錯,馬赫只是一個音速倍數的概念,而音速卻是會改變的!

馬赫與大名鼎鼎的恩斯特·馬赫

恩斯特·馬赫是奧地利-捷克實驗物理學家,他的研究領域是光的傳播規律和超音速現象,1887年他就發表了關於超音速拋體運動的聲音效應(即音爆)。他推導並實驗驗證了高速拋體尖端的圓錐形衝擊波的存在,這就是激波,還有流體速度與局部音速之比vp/vs,現在則被稱作馬赫數。

認真做

馬赫的研究的超音速領域幾乎就是現代飛行器的必經之路,二戰的戰鬥機設計師就發現,當戰鬥機螺旋槳槳尖速度接近音速時效率急劇下降,另外平直翼在高速時候阻力極大等等,因此未來要進入超音速領域,必須有革命性的改變,因此後來出現了噴氣式發動機以及後掠式機翼!

關於音速

聲音在介質中傳導的速度就是音速,它沒有一個確切的數字,會隨著介質密度的變化而變化,比如聲波在鋼鐵中的速度為5900米/秒(縱波),銅材中的速度4900米/秒,水中的縱波速度為1497米/秒(25℃,蒸餾水),海水中速度略高為1531米/秒。

空氣中的傳播速度則會隨著海拔升高而降低,比如海平面音速約為340/秒,但在SR-71黑鳥偵察機的升限24,285米處,音速為295米/秒,因此以此為標準,計算得3,492千米/小時,剛好等於3.28馬赫。

關於馬赫環

噴氣式發動機或者火箭以及超音速沖壓發動機在尾噴口後出現的一種一明一暗的尾流現象,稱為馬赫環,大神恩斯特·馬赫第一個解釋了這種現象,因此為紀念他而命名為馬赫環。

SR-71黑鳥式偵察機所使用的普惠J58發動機打開後燃器時,高速高溫的尾氣,形成了明顯的馬赫環

馬赫環原理

發動機噴出的尾流中流場十分複雜,當高溫高壓的尾流從尾噴口排入大氣層時會經歷局部密度劇烈變化,排氣會經過一個膨脹過程,而大氣壓又會壓縮尾流,因此會形成傾斜的衝擊波,並且會反復交替出現而形成連續明暗相間的尾流。

關於高超音速飛行器

現代高超音速飛行器主要有兩大類,一類是滑翔高超音速,另一類則是高超音速發動機推進的飛行器,前者是使用火箭發動機推進到高空,在利用其勢能以高超音速滑翔的一種飛行器,其空氣動力形狀決定了其飛行特性。

高超音速發動機則有兩類,一類是亞燃沖壓,另一類則是超燃沖壓,前者的氣流在壓縮後亞音速通過燃燒室,其燃燒特性還比較容易控制,一般現在的沖壓發動機大都是亞燃沖壓。

另一類超燃沖壓則是壓縮後的氣流以超音速經過燃燒室,氣流在燃燒室內的速度超過音速,停留時間極短,有人打比方,其難度相當於在12級颱風中點燃一根火柴,並且要穩定燃燒,但超然沖壓的發動機燃燒室穩定燃燒的難度顯然要比這難得多。

當然還有一類比較有希望的高超音速發動機不屬於沖壓類型,而是脈衝爆震類,這類發動機不通過壓縮氣體,而是通過氣體和燃料混合爆炸實現。

未來的空天飛機發動機,要么是渦噴+沖壓,要么是爆震發動機,火箭發動機需要同時攜帶燃料和氧化劑,非常佔空間,而沖壓和脈衝爆震發動機可以利用大氣層中的氧氣,不過看起來無論哪種難​​度都極高,所以到現在都還沒完全實現。

關於“摩擦加熱”

飛船返回地球,流星體穿越大氣層,很多書上都會告訴你這是發光的原因是飛船和大氣摩擦產生高溫,當然這解釋也不是全錯!

SR-71超音速飛行時的機身各處溫度分佈

但熱量的主要來源卻是高超音速的激波加熱,因為當物體以遠超音速的速度前進時,空氣分子無法及時“通知”周圍的空氣分子,因此會被擠壓到一起形成壓縮面。

這個壓縮面會以速度大致反比的方式擴散,形成激波,正前方與運動物體接觸,高溫會向物體傳導,形成高溫高壓區域,而有的飛行器則會利用機翼將激波兜住,形成乘波體,此時的升力不是來自所謂的迎角和伯努利效應,而是激波。