這，是迪迦奧特曼的力量形態(tài)，根據(jù)官方的檔案，飛行速度是 3 馬赫。

而這，是人類歷史上最快的戰(zhàn)斗機(jī)之一，蘇聯(lián)的米格-25，他的 極限速度可以達(dá)到 3.2 馬赫。

從數(shù)字上來(lái)看，好像飛的已經(jīng)比奧特曼還快了。那么，奧特曼真的已經(jīng)飛不過(guò)戰(zhàn)斗機(jī)了嗎？今天我們來(lái)聊一聊馬赫到底有多快。

馬赫到底有多快

不知道大家有沒(méi)有注意到，不論是奧特曼，還是我們更常見(jiàn)的飛機(jī)、導(dǎo)彈，每當(dāng)我們聊到一個(gè)在天上飛的東西時(shí)候，往往都在用馬赫描述它的速度。

那么，1 馬赫究竟有多快呢？

事實(shí)上，這并不是一個(gè)具體的數(shù)字，而是當(dāng)前速度和音速的比值。

如果正好以音速飛行，就是 1 馬赫；如果速度是音速的兩倍，就是 2 馬赫。

但音速不是定值。

我們最熟悉的 340 m/s，是聲音在 15℃、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，在空氣中的傳播速度。 可一旦環(huán)境發(fā)生變化，音速就會(huì)跟著變化。

比如在海平面附近，音速是 340m/s，但在空氣更稀薄的平流層，音速可能只有 300m/s 左右。

也就是說(shuō)，一架 170m/s 的飛機(jī)，在海平面速度是 0.5 馬赫，但如果以同樣的速度飛上平流層，就變成 0.56 馬赫了。

所以離開(kāi)高度和溫度談馬赫，就像離開(kāi)劑量談毒性一樣，都是耍流氓。

為什么要用馬赫

但講到這里，相信不少差友都會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)：既然馬赫是一個(gè)會(huì)變的值，我們?yōu)槭裁催€要用它來(lái)描述飛行速度？直接用米每秒、公里每小時(shí)這樣的固定單位，不是更直觀嗎？

要搞清楚這個(gè)問(wèn)題，我們首先要知道飛機(jī)是怎么飛起來(lái)的。

飛機(jī)是怎么飛起來(lái)的

讓飛機(jī)懸浮在空中的，并不是發(fā)動(dòng)機(jī)，而是機(jī)翼在空氣中產(chǎn)生的升力。在理想情況下，我們可以把空氣當(dāng)成是一組連續(xù)、均勻的平行氣流。

飛機(jī)向前飛的時(shí)候，機(jī)翼就會(huì)像一把鏟子一樣，“ 撞進(jìn) ” 空氣里，把平行的氣流切成兩股，一部分從機(jī)翼上方過(guò)去，另一部分從機(jī)翼下方過(guò)去。

此時(shí)，機(jī)翼上方的空氣會(huì)繞過(guò) 前緣弧形的輪廓進(jìn)行一個(gè)角度很大的 “ 急轉(zhuǎn)彎 ”。

而要讓空氣一直拐著彎走，就必須有一股向內(nèi)的作用力來(lái)拉住它。

這個(gè)力并不是憑空產(chǎn)生的，而是來(lái)自周圍空氣對(duì)它的擠壓。從這里通過(guò)的空氣，會(huì)跟我們開(kāi)車高速過(guò)彎的時(shí)候一樣，受到一個(gè)垂直于彎道、方向向外的離心力。

在它的作用下，機(jī)翼上方的空氣被 “ 抽走 ” 了一部分壓力，形成了一個(gè)穩(wěn)定的低壓區(qū)域。

相比之下，機(jī)翼下方的氣流更平緩，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變得沒(méi)那么劇烈，壓強(qiáng)也就不會(huì)明顯降低。

在機(jī)翼兩側(cè)的壓強(qiáng)差下，空氣對(duì)機(jī)翼形成了一個(gè)向上的合力，也就是我們所說(shuō)的升力。

基于這個(gè)理論，我們似乎可以得到一個(gè)非常直觀的結(jié)論：只要機(jī)翼和空氣的角度在一個(gè)范圍內(nèi)，飛得越快、機(jī)翼抬起的角度越大，上下表面的壓強(qiáng)差就越大，升力也就越大。

但隨著飛機(jī)的極限速度變得越來(lái)越快，不少飛行員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛機(jī)接近極速時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的抖動(dòng)，甚至失控。

1941 年 11 月 5 號(hào)，一位名叫拉爾夫·韋爾登的試飛員，正在駕駛 P-38 “ 閃電 ” 戰(zhàn)斗機(jī)，進(jìn)行高速俯沖的極限測(cè)試。

但當(dāng)他準(zhǔn)備結(jié)束俯沖狀態(tài)，拉起機(jī)頭、恢復(fù)平飛時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)無(wú)論怎么用力，飛機(jī)都像是被什么東西按住了一樣，怎么都拉不回來(lái)。

最終，飛機(jī)失控墜毀，拉爾夫也在事故中不幸遇難。

隨后，負(fù)責(zé)調(diào)查的工程師約翰·史塔克利用紋影法在風(fēng)洞中拍下了這起 “ 高空鬼壓床 ” 事故中機(jī)翼周圍的氣流狀態(tài)后發(fā)現(xiàn)，這股突然增大的壓力不是機(jī)械故障，而是來(lái)自于看不見(jiàn)、摸不著的聲音。

聲音如何影響飛機(jī)

聲音本質(zhì)上是一種由振動(dòng)引起的擾動(dòng)。

而當(dāng)某個(gè)物體在空氣中振動(dòng)時(shí)，它會(huì)不斷擠壓周圍的空氣，并把這種壓縮一層層地向外傳遞開(kāi)去，形成聲波。

在理想情況下，如果聲源是靜止的，那么這種擾動(dòng)會(huì)以聲源為中心，向四周均勻擴(kuò)散。

看上去就像是一圈一圈向外擴(kuò)展的同心圓。

但在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，航空工程師在分析飛機(jī)氣動(dòng)問(wèn)題時(shí)，其實(shí)把空氣看成了一種不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)。

在這個(gè)假設(shè)下，無(wú)論聲源怎么移動(dòng)，聲波都會(huì)保持同心圓的形態(tài)。

但這個(gè)近似，并不是在任何速度下都成立。

一旦聲源速度大于 0.3 倍音速，由聲音帶來(lái)的空氣壓縮與膨脹就無(wú)法被 “ 忽略 ” 了。

這時(shí)候，飛機(jī)發(fā)出的聲波，不再是均勻擴(kuò)散的同心圓，而是這樣 “ 前窄后寬 ” 的偏心圓。在聲源前進(jìn)的方向上，波與波之間的距離被壓縮，聲源后方波與波之間的間距則被拉長(zhǎng)。

而隨著飛行速度越來(lái)越快，圓心移動(dòng)的幅度越來(lái)越大，前方的空氣不斷被壓縮，直到速度正好等于音速時(shí)，圓心移動(dòng)的速度和聲波擴(kuò)散的速度相同。

這時(shí)候，每一個(gè)新產(chǎn)生的波，都能夠正好 “ 追上 ” 前一個(gè)波。結(jié)果就是，原本互相嵌套，從不相交的聲波，在飛機(jī)前進(jìn)的方向上相切，形成了一道巨大的 “ 空氣墻 ”，也就是我們 經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)的音障。

馬赫給航空帶來(lái)了什么人類如何突破音速

而在拉爾夫那次事故里，雖然飛機(jī)還沒(méi)到音速，但就像我們前面說(shuō)的一樣，空氣一旦撞上機(jī)翼，為了繞過(guò)前緣的弧形輪廓，就必須完成一次伴隨著加速的 “ 急轉(zhuǎn)彎 ”。

這讓機(jī)翼前緣和上表面的空氣部分達(dá)到了音速，從而撞上了 “ 空氣墻 ”，阻力大大增加。

與此同時(shí)，在當(dāng)氣流穿過(guò) “ 音速區(qū) ” 的邊界時(shí)，劇烈的壓強(qiáng)變化還會(huì)讓原本和機(jī)翼緊密貼合的氣流從表面分離，讓升力急劇下滑。

更糟糕的是，這些被強(qiáng)烈壓縮、又突然失穩(wěn)的高速氣流，并沒(méi)有立刻消散，而是被甩向了尾翼。

原本尾翼的作用是用來(lái)平衡飛機(jī)的，就像蹺蹺板的另一端，用一個(gè)向下的力穩(wěn)定飛機(jī)的俯仰姿態(tài)。

但現(xiàn)在，這股亂流的加入，讓尾翼上方的空氣流速迅速增加，從而產(chǎn)生了一個(gè)向上的升力。

結(jié)果就是，前面的機(jī)翼升力下降，抬不起頭，后面的尾翼卻在狂翹屁股。把拉爾夫的飛機(jī)直接鎖定在了俯沖姿態(tài)。

最終釀成了事故。

在這一系列事故的教訓(xùn)中，航空工程師們意識(shí)到了一件事：影響飛行狀態(tài)的，除了飛得有多快，還有飛得有多接近音速。

于是將馬赫數(shù)引入了航空領(lǐng)域。

馬赫描述的，其實(shí)是此時(shí)此刻，飛機(jī)正在面對(duì)什么樣的空氣。這給此后的飛機(jī)設(shè)計(jì)，帶來(lái)了一個(gè)非常關(guān)鍵的概念 —— 馬赫極限。

也就是飛機(jī)受到音障影響，會(huì)出現(xiàn)飛行狀態(tài)劇變的極限。

到達(dá)馬赫極限后，飛行速度繼續(xù)提高時(shí)，飛機(jī)表面的大面積氣流將不可避免地進(jìn)入跨音速甚至超音速狀態(tài)。

在現(xiàn)代飛機(jī)的儀表上，除了速度標(biāo)，也會(huì)有顯示當(dāng)前的馬赫表來(lái)提示飛行員當(dāng)下的飛行狀態(tài)。

比如，當(dāng)馬赫表顯示 0.8 時(shí)，飛行員立刻就能意識(shí)到，繼續(xù)加速就會(huì)撞上音障，讓飛行員可以提前做好準(zhǔn)備，而不是等到速度 “ 超標(biāo) ” 才反應(yīng)過(guò)來(lái)。

這就是為什么，在航空領(lǐng)域，人們會(huì)用隨環(huán)境變化的 “ 馬赫數(shù) ” 來(lái)描述速度，而不是公里每小時(shí)這種固定單位。

與此同時(shí)，音障原理的發(fā)現(xiàn)和馬赫數(shù)概念的引入，也給后來(lái)超音速飛機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了不可忽視的影響。

在找到事故原因后，史塔克立刻著手對(duì) P-38 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在機(jī)翼下方加上了一塊用來(lái)引導(dǎo)空氣的襟翼。

只要在高速俯沖的時(shí)候展開(kāi)它，就能改變空氣走向，并增加機(jī)翼的升力，就能解決拉爾夫空難中遇到的“沉頭翹屁股”問(wèn)題。

這些問(wèn)題，也為真正的超音速飛機(jī)設(shè)計(jì)提供了靈感。

1947 年，美國(guó)空軍上尉查克·耶格爾駕駛由貝爾公司和美國(guó)軍方主持研發(fā)的 X-1 實(shí)驗(yàn)機(jī)，在 12,800 米的高空以 1.06 馬赫速度突破音障，完成人類首次有記錄的超音速飛行。

在這架飛機(jī)上，工程師們充分吸收了之前的經(jīng)驗(yàn)，將飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)成了和當(dāng)時(shí)少數(shù)被證明能夠在超音速下穩(wěn)定飛行的物體 .50 口徑子彈幾乎一致的形狀，并且把機(jī)翼做盡可能的做薄，并抬高尾翼延緩出現(xiàn)激波的時(shí)間和對(duì)機(jī)身的影響。

不過(guò)，由于機(jī)翼太薄，x-1 在低速下很難獲得足夠的升力，甚至沒(méi)法自己起飛，得由另一架飛機(jī)帶到高空之后放出去。比起超音速飛機(jī)，更像是一個(gè)有人操作的導(dǎo)彈。

直到之后的 x5，又吸收了德國(guó)同行的設(shè)計(jì)，將原來(lái)平翼改成了能向后折疊，并能改變角度的可變后掠翼。

這個(gè)改動(dòng)，讓原本幾乎完全正面撞上機(jī)翼前緣的空氣產(chǎn)生了分流，大大減少了機(jī)翼能感受到的有效迎風(fēng)速度。

減緩了機(jī)翼上表面的氣流加速到音速的時(shí)間，讓激波出現(xiàn)更晚，并且能在多種速度下都保持良好的性能。

總的來(lái)說(shuō)

靠著這種設(shè)計(jì)，人們成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的超音速飛行。正是由于馬赫數(shù)的引入，人類速度的極限才沒(méi)有被音障鎖死，而是一步步超越了我們?cè)?jīng)認(rèn)為的極限。

所以回到最開(kāi)始的問(wèn)題，雖然奧特曼和戰(zhàn)斗機(jī)的速度都在三馬赫左右，但馬赫其實(shí)數(shù)描述的，并不是速度本身，而是人類與空氣之間的博弈進(jìn)度。

當(dāng)然，雖然紅色迪迦是三個(gè)形態(tài)里飛的最慢的，但從飛出大氣層干怪獸的表現(xiàn)來(lái)看，還真不一定飛的比戰(zhàn)斗機(jī)慢。

至于奧特曼在 3 馬赫時(shí)，面對(duì)的是哪一層大氣、哪一種空氣狀態(tài)，那可能就得等光之國(guó)公布完整的空氣動(dòng)力學(xué)白皮書了。

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撰文：吉吉

編審：楊子 & 蛋不利多 & 小鑫鑫

視頻制作：迎風(fēng) & 上進(jìn) & 錘子 & 十一 & 小楊

美編：煥妍

圖片、資料來(lái)源：

Aerodynamics | Pressure profile around airfoil

Bell X-1 Glamorous Glennis National AIR AND SPACE Museum

Meeting the Challenge of Supersonic Flight James O Young

Flow Visualization in Fluid Dynamics - Experiments and Methods Educational Video Library

This Day in Aviation 4 November 1941

The Rocket Plane That Broke The Sound Barrier | Bell X-1 Rex's Hangar