馬赫數怎麼理解,換算成公裡是多少,最快的飛機能達到幾馬赫?

2021-01-08 時空通訊

說到馬赫,不得不說到一位科學達人。

他叫恩斯特·馬赫,是奧地利~捷克物理學家、心理學家、哲學家。所謂馬赫數、馬赫帶效應等物理學名詞,就是以他的名字命名的。他的研究成果很多,而最重要的成就就是研究物體在氣體中的高速運動,發現了激波,並拍攝下了激波的清晰照片。

恩斯特·馬赫在1887年幾篇論文中指出:在空氣中,物體運動會發出以聲速c傳播的球面擾動波,當物體速度大於c時,擾動波的波前會形成以物體為頂點的錐形包絡面,錐面物體與物體運動方向所形成的角a與v、c的關係是sina=c/v。

到了1929年,聲速比值v/c在空氣動力學研究裡面日益顯現其重要性,德國空氣動力學家J.阿克萊特建議用「馬赫數」表示這個比值。從此,馬赫數成為表徵流體運動狀態的重要參數。而以「馬赫」命名的「馬赫錐」、「馬赫角」、「馬赫波」、「馬赫帶效應」等術語,也在空氣動力學中廣泛得到運用,由此可見恩斯特·馬赫在力學方面歷史性突出貢獻。

所謂馬赫數,是指速度與音速的比值。

聲音傳播是一種機械波,在不同介質和溫度、壓力狀態下,其傳播速度是不一樣的。表現為介質密度越大,溫度越高,傳播速度越快。因此聲音在真空中無法傳播,一般在固體中最快,液體中其次,氣體中最慢。

在常溫下,聲波在空氣中的傳播速度約340m/s,水中傳播速度約1500m/s,銅棒中的傳播速度約3750m/s,鐵中的傳播速度約5200m/s。

馬赫數常用於在空氣中飛行的物體速度,表達為馬赫數M=v/c,這裡v代表物體速度,c代表音速。馬赫數在不同介質和溫度壓力下是一個變量,但在飛行物的衡量中,主要採用在一個標準大氣壓15℃條件下的空氣音速,為340m/s,這樣1個馬赫就是1倍這個條件下的音速,也就是海平面音速為每小時1224km。

在習慣用語中,把馬赫數小於1稱為亞音速,指比音速慢;馬赫數大於1,小於或等於5時,稱為超音速;馬赫數大於5稱為高超音速。

超音速飛機的誕生和難點。

運載火箭和飛船,是以宇宙速度來衡量的,最少需要第一宇宙速度,也就是7.9km/s的速度,才能夠與地球引力抗衡,這個速度為23.24馬赫,這已經不屬於空氣動力學範疇,我們不討論。

在上世紀40年代前,人類航空速度還較慢,沒有超音速飛機。最早的超音速飛機在1947年出現,這一年的10月14日,美國空軍上尉查理斯.耶格爾駕駛一架X-1試驗機,在12800米高空,飛行速度達到1278km/h,達到M=1.1015(在高空溫度壓力條件下的馬赫數),超過了音速,從而開啟了超音速飛行的時代。

超音速飛機最關鍵的技術是發動機和突破音障的問題。在初始的實驗中,人們發現當飛行速度接近音速時,周圍流動空氣狀態會發生激波和一些奇怪效應,導致飛機機身抖動,甚至導致飛機失控或空中解體,事實上也有不少飛機因此失事,人們把這種效應叫音障。

後來人們通過改進發動機和機翼外形,延緩和降低了音障導致的影響。1953年,美國海軍試飛員道格拉斯駕駛一架暱稱「空中火箭」的558-II型試驗機,首次實現了2馬赫速度飛行,由此說明只要突破M=1的速度,就不會再有音障存在,由此飛機的速度越來越快,但迄今為止,超音速主要為戰機。

民航飛機也曾經有過

現在的超音速飛機都是戰機,我們平常偶爾會聽到「轟」的一聲巨響,震得門窗瑟瑟抖動,一些人總以為哪裡在開山放炮,其實不是,這就是戰鬥機訓練中突破音障時產生的震波。

如今人類製造的超音速飛機有多快?

飛行最快的飛機記錄依然由美國X-15保持,這架裝備兩臺火箭發動機的試驗飛機,在1967年10月由美國飛行員威廉·J·奈特少校駕駛飛到10.8萬米高空,飛行速度達到6.72馬赫,至今沒有任何飛機能夠突破。

但這架飛機畢竟只是試驗機,雖然為美國航空航天取得了很多寶貴的數據,但畢竟依靠火箭發動機達到這個速度,嚴格意義上算不上常規飛機。

那麼曾經正式服役過和依然在服役的戰機有哪些速度最快的呢?簡單列舉如下幾款:

美國SR-71偵察機,這款已經於1998永久退役的偵察機,速度可達3.35馬赫,保持著從未被擊落過的記錄;前蘇聯/俄羅斯系列戰機米格-25戰機,時速可達3.2馬赫;美國YF-12戰機,速度可達3馬赫;米格-31戰機,速度可達2.8馬赫;美國F-15E戰機和我國的J20戰機,速度可達2.5馬赫;蘇-27戰機,速度可達2.35馬赫;美國F-22戰機,速度可達2.25馬赫。

當然,飛機的性能並不單單以速度來衡量,而且以上數據也不一定完全和精準,僅供參考,或有遺漏和錯誤,歡迎大家在評論區補充糾正。

在地球上飛行距離最遠速度最快的是洲際飛彈。

目前全世界只有五個國家能夠製造或主要擁有洲際飛彈,即美國、俄羅斯、中國、法國、英國。按照速度排名前三的有,美國民兵3最快,末端速度可以達到27馬赫;我國的東風-41末端速度可以達到22馬赫;俄羅斯的白楊-M可以達到22馬赫。

洲際彈道飛彈除了速度,發射射程和打擊精度都決定了飛彈的性能。洲際飛彈採用的是火箭發動機,更類似航天飛行器,這裡就不多扯了。

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    航空詞彙知多少——馬赫數 2019-09-22 10:22 來源:澎湃新聞·澎湃號·媒體
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