「馬赫」是飛機的速度單位嗎?對戰鬥機飛行有什麼影響?

我們發現，飛機在低空、低速飛行時，通常用「節」描述速度；而在高空、高速飛行時，又會用「馬赫數」衡量速度。

其實馬赫數不是速度，而是氣流速度與當地聲速的比值，用來表徵流場壓縮性大小。馬赫數越大，氣體壓縮性越大。

馬赫數很重要，它反映了飛機當前運動的特性，對飛行安全、機翼改進、結構設計都有重要意義。

1、音速。

聲音是一種機械波，音速就是聲波在某種介質中的傳輸速度。在1標準大氣壓、溫度15℃下，聲音在空氣中的傳播速度為340米/秒。

但大氣層不是一個上下均勻的整體，它有對流層、平流層、中間層等不同環境。

在對流層中，隨高度升高，大氣密度、溫度相應降低。海拔每升高100米，氣溫平均下降0.65℃。到1萬米高空時，溫度已下降到零下50℃左右。

再往上到35～40 千米的平流層中下區域，氣溫幾乎不隨高度變化，基本保持在零下45℃左右，所以也叫「同溫層」。

在空氣介質中，音速的變化與溫度密切相關。溫度越高，空氣分子越活躍，聲音傳播速度越快；反之，溫度越低音速越慢。

因此，飛機以相同速度在不同環境中飛行，得到的馬赫數卻不相同。比如飛機以340米/秒在溫度15℃的海平面上飛行，馬赫數為1；在1萬米高空仍以340米/秒飛行，馬赫數卻變成了1.14左右。

在高空飛行時，就算飛機空速表指示空速不變，也會因高度增加音速減小，而不知不覺的超過臨界馬赫數，從而影響飛行安全。用「馬赫數」衡量速度，能讓飛行員快速清晰的了解飛行狀態，提高安全性。

2、馬赫數的作用。

音速是大氣中運動物體的速度標杆。飛機在空氣中飛行時，機身不斷擾動空氣形成聲波，並以音速向四周傳播。

飛機速度<0.3 Ma時，氣體密度變化很小，對飛行影響很小；

0.3<Ma<0.8亞音速時，空氣流場會壓縮但不會產生激波；

0.8<Ma<1.2跨音速時，出現激波，產生巨大阻力，飛機狀態不穩定；

Ma>1時為超音速，Ma>5時為高超音速，會產生強激波、高溫、振動激勵，並伴隨化學反應和輻射。

不同速度下的聲波變化

可以看出，1馬赫是個重要節點，在此節點前後很多事情會發生變化。

當飛機速度超過音速時，飛機會追上自己產生的聲波振動，聲波來不及向前傳播，就堆積在前方形成一堵「空氣牆」，壓力越來越大形成激波。

激波造成巨大阻力，飛機變得很不穩定，頭重尾輕，劇烈振動，升力驟降，燃料消耗也大大增加。

二戰後期，很多優秀飛行員在這上面吃了大虧。當時的飛機動力增加很快，達到2000~2500馬力，飛機速度開始接近音速。當飛機俯衝時會瞬間超過音速，進入「音障」，飛機突然失去控制，甚至空中解體。

3、機翼設計。

不光俯衝時超音速，機翼上表面氣流也會先於飛機進入超音速。

按照伯努利原理，從機翼上表面流過的氣流速度會加快。當飛機接近音速時，機翼上表面氣流就已經超音速了，此飛行馬赫數被稱為臨界馬赫數。

此時飛機局部超音速，激波阻力大增，機翼下沉、機頭下栽，難以控制。為了推遲機翼上表面氣流超音速，提高臨界馬赫數，人們對機翼進行了很多改良，產生了很多新翼型。

二戰時的飛機大多是平直機翼，升力大，結構簡單，控制方便，但不適合高速飛行。它與空氣來流垂直，上表面空氣流速很快。

工程師將機翼向後斜置，使其與機身軸線形成一個後掠角。這樣機翼就不與來流垂直了，來流速度被分解為垂直機翼前緣的法向速度和平行於機翼的速度。法向速度分量小於音速，就能推遲激波產生，減小阻力。

後掠翼很快在大部分機型上使用，但它的缺點也很多。後來又陸續發展了三角翼、雙三角翼、變後掠翼、梯形翼、鴨翼等，使飛機在高速飛行時仍有優秀氣動性能。

對大型飛機和運輸機來說，三角翼不太合適，1967年，美國航空科學家惠特科姆提出了超臨界翼型。和風漫談原創，禁止抄襲。

這種翼型前緣鈍圓，上表面平坦，下表面後緣處反凹，後緣較薄向下彎曲，能有效減小附面層分離，延緩激波產生，提高臨界馬赫數，在大型運輸機、客機上使用效果很好。

普通機翼與超臨界機翼

綜上，飛機在跨越音速時會產生各種複雜的物理現象，對飛行影響很大。用馬赫數衡量飛機高速運動特性，對飛行安全、控制、飛機設計都有重要意義，是不可缺少的指標參數。

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