馬赫等於音速嗎？你們都被騙了，這些科幻電影的故事到底是怎麼來的

1馬赫等於音速嗎

先吐個槽，以正視聽。

美國科幻電影《地心引力》，故事大概如下：毛子擊毀一顆廢棄衛星，產生的碎片擊毀了所有衛星和空間站，並弄死了炮灰男主角，女主角被迫流浪太空，然後輾轉到了中國空間站，最終逃回地球，收穫多項奧斯卡大獎。

本僧覺著，導演肯定以為太空和他家院子一樣大，隨便一跺腳，濺起的石子能把院子裡所有蚊子給滅了，女主角從哈勃望遠鏡到國際空間站再到天宮空間站，像是在村裡串門一樣方便。

要說超高速飛行器，心裡一定要有個譜：太空很大，比亞歐美非洲加起來還要大上萬倍。

人類能飛多快

飛機速度為啥用“馬赫”表示？馬赫就是音速的意思，多少馬赫就是多少倍音速。

在空氣稀薄的萬米高空，音速是295m/s，1馬赫就是295m/s；在空氣稠密的低空，音速是340m/s，1馬赫就是340m/s；在沒有空氣的太空，聲音無法傳播，所以不能用馬赫表示速度。

為啥算個速度要這麼折騰？咱試著用幾句話說明白：飛機會產生很大的聲音；聲音傳播的本質是空氣分子的振動波；聲源速度等於聲波速度，波峰波谷就會無限疊加；空氣就被壓縮，壓力驟增；空氣中的水蒸氣被液化成小水滴，也就是白霧，併產生音爆；超音速的瞬間，飛行器像是撞到了一堵用高密度空氣築成的牆上，這種由聲波導致空氣壓縮產生的阻力，學名激波阻力。

激波阻力驟增驟降，很考驗飛行器的技術含量，而音速不是一個固定值，因此用馬赫來表示大氣層內飛行器的速度也就順理成章了。

此外還有因空氣摩擦產生的飛行阻力，這股力與空氣密度成正比，與速度平方成正比，即，速度加一倍，阻力變四倍。

被這哥倆一鬧騰，出大事了！如果全程都在稠密大氣層內飛行，無論導彈還是飛機，超過5馬赫就算半仙了！即便撐到了5馬赫，也是拿油往發動機裡灌出來的，持續5分鐘就是真仙了！

5馬赫，差不多是大氣層內低空飛行器的極限，因此，用大氣層內武器去攔截5馬赫以上的機動目標，主要取決於祖墳是否冒青煙。

空氣真不是個好東西！於是，人們就把主意打到了外太空。

太空，不是想飛就能飛

“太空沒有重力，輕輕一推就能飛很遠？”

大多小盆友一直認為太空沒有重力，這讓九年義務教育外加三年高中情何以堪！

太空只是沒有空氣而已，近地軌道的重力和地面差不了多少。失重不是失去重力的意思，而是指飛行器繞地球轉圈產生的離心力與地球引力相等，這應該不難理解，我保證高中的你一定知道。

實際上，所謂的太空飛行，純粹是靠慣性在天上飄著，路線都是死死的。眼下是不可能在太空實現自由翱翔的，因為這需要海量燃料，多到根本飛不起來。光是把飛行器加速到7。9km/s，幾十噸燃料就沒了，想在太空掉個頭，就只能請佛祖幫忙了。

舉個例子。在大氣層內飛行，只要動動機翼，就能來個直角轉彎。太空的直角拐彎怎麼做呢？飛行器要開啟反向發動機，把豎直方向的速度從7。9km/s降到0，與此同時開啟橫向發動機，把橫向速度從0加速到7。9km/s。速度慢一點不行嗎？當然可以，但是底下還得開個發動機託著，不然繞圈離心力不足以抵消地球引力，飛行器就會掉下來。

再把這中學知識給那些大學畢業生強調一遍：在太空是沒法懸停的，你能做的只有飛速繞地球轉圈，讓離心力去抵消重力。

速度固然可以飆很快，可一旦想轉彎或減速，你還是會懷念空氣的。

電影裡的太空戰基本是二戰時的空戰

魚與熊掌兼得

對於飛行器來講，趕路的時候最好沒有空氣，滯空或拐彎的時候最好有空氣。妥了，只有大氣層邊緣才能這麼玩，學名臨近空間飛行器，簡稱臨空飛行器，因為這貨速度通常超過5馬赫，所以也可以叫超高速飛行器。

這有啥好處呢？標題黨老拿速度說事，這僅僅是速度的事兒嗎？

超高速飛行很稀罕嗎？洲際導彈幾十馬赫它驕傲了嗎！臨空飛行了不起嗎？一枚低配版火箭就可以太空旅遊了知道嗎！無論按速度還是按高度算，高速飛行器拍馬也追不上彈道導彈。

這肯定不妥，是哪裡不對勁呢？

如果不懂點中段反導的常識，就不明白高速飛行器的意義。簡單總結下前文《反導篇》的內容：

洲際導彈可以看成一門大號火炮，加速彈頭就幾分鐘而已，剩下80%的時間，彈頭是處於無動力滑行狀態，最後靠自由落體砸向目標。

反導攔截彈也是一門大號火炮，同樣無法在太空自由翱翔，到了太空也是靠慣性飄過去，末端軌道修正能力不會超過十公里。

如果不是提前約好地點，兩門大炮想在太空相遇，這緣分怕是八輩子都修不來。所以，反導的前提是計算來襲彈頭的軌道，能計算軌道的前提是彈頭必須無動力滑行，這就是中段反導的基本原理。

相撞時，兩者都是無動力滑行狀態

彈頭若是這麼傻傻飄過去，被攔截的機率還是不小的，後來洲際導彈就動了很多腦筋，變軌啊、誘餌彈啊、製冷啊、鋁箔干擾啊……總之，兩者在中段飛行時的較量是非常激烈的。

可是，彈頭一旦重返大氣層，就基本無解了。大氣層內的攔截彈撐死5馬赫，十幾馬赫的彈頭稍微拐個彎，攔截彈馬上甩沒影，幾秒鐘後，茶葉蛋就送家門口了。

有個疑問，攔截可以迎頭碰撞，為啥還要比誰速度快？舉個例子，來襲彈頭10馬赫，攔截彈4馬赫，兩者相距5公里，約1秒後相撞。此時彈頭來個末端機動，橫向移個十幾米，你4馬赫的小短腿跟得上不？

所以大氣層內的防空主要針對低速目標，諸如飛機、巡航導彈之類，對付洲際導彈，和徒手接子彈的難度差不多。

看到這，能不能悟出點啥？如果彈頭能夠跨過中段飛行，直接進入末端，帶著10馬赫的淫威重返大氣層，面對不到5馬赫的攔截彈，此時響起的背景音樂肯定是：無敵是多麼……多麼寂寞……

新物種誕生

咱們用數字說得明白一點。

假設，在2000公里外、50公里高的大氣層邊緣，發現一架高速飛行器以10馬赫速度飄過來，該怎麼辦？

首先，發射一顆足夠射程的中段反導攔截彈！前面說了，中段反導是一門大號火炮，這傢伙助推完成大約只飛出一兩百公里，剩下的一千多公里靠慣性飄過去。攔截彈為了飆速度趕時間，也為了攔截瞬間的靈活性，不可能帶很多燃料，因此變軌距離非常有限。

早些年，被譽為黑科技的美帝“標準3”中段反導攔截彈，末端變軌能力也才3千米出頭，也就是說，這枚攔截彈飄到一千多公里外，與目標的偏差不能超過3千米。3千米啊，這點距離在太空算啥！高速飛行器的方向盤抖一抖，就能輕鬆甩開這3千米！

若中段攔截失敗，等高速飛行器近了，再發射末端高空攔截彈，比如薩德！薩德從地面往上飛，不爬到幾十公里高，速度是上不來的，而高速飛行器居高臨下，兩者極限速度又差不多，繞個圈，把薩德燃料耗完，事情也就了了。飛到目標區域後，以10馬赫的速度丟下彈頭，然後返航。

到最後彈頭飛下來，用近防炮、密集陣攔截，只是圖個心理安慰！這些玩意兒的射程大約2~3千米，對彈頭來說，不到1秒就飛完了，何況，茶葉蛋一般在空中引爆，留給近防炮的時間不會超過0。5秒，肯定是指望不上的。哦，對了，近防炮的炮彈初速度一般在3馬赫左右。

導彈的速度+飛機的機動性，無論是去扔炸藥，還是送茶葉蛋，那畫面，就比開著轟炸機回古代稍差些。也只有這般意義，才不枉我等吃瓜群眾日思夜想吶！

黑鳥SR71，是史上最接近該場景的例項。

這貨巡航速度超過3馬赫，飛行高度20公里以上，甩開同時代的防空導彈如家常便飯，縱橫天空三十載！“天下武功唯快不破”的最真實寫照！

不過，開掛並不是一件輕鬆的事，即便是美帝。對於快如閃電的黑鳥來說，也遭了不少罪，拐彎拐得太急都容易散架，更別提複雜的戰鬥動作了。所以黑鳥只是一架直來直去的偵察機，威懾力大減！即便只是偵察，32架黑鳥雖無一被擊落，但自個兒摔了12架，這比例直追三哥！

1989年4月，黑鳥在菲律賓海上空飛行時，左發壓氣機軸承卡死導致葉片爆炸而墜毀。再後來，3馬赫沒法包打天下，黑鳥便只能退役了。

難！難！難！

3馬赫的黑鳥都摔成這樣，就知道這事肯定不簡單。高速飛行器作為一個新物種，沒有三把刷子鎮不住偌大的名頭。

第一，超燃衝壓發動機

想要飛的快，就得燃料倒的多，燃料一多，空氣就不夠燒了。

航空發動機的解決思路是裝一臺抽氣機，箇中原理前文說了很多。抽氣機需要渦輪驅動，所以叫渦輪發動機。抽氣機轉太快是要散架的，卯足了勁抽的空氣，最多隻能供發動機飛到兩三個馬赫。

還能快點嗎？

能！當速度超過3馬赫，迎面吹來的空氣就足夠燒了，這就是衝壓發動機的概念。悲劇的是，火焰燃燒是有傳播速度的，如果風速太快，火焰傳播速度追不上風速，就會被吹散。為此，超過3馬赫的空氣要降為亞音速才能進入發動機燃燒室，這一降速，塞進發動機的空氣也就有了上限，導致飛行器速度快不過6馬赫。這類在3-6馬赫之間的發動機就叫亞燃衝壓發動機。

還能更快點嗎？

更快的速度意味著更多的空氣，為了塞更多空氣，只能任由超音速空氣進入燃燒室，主角終於來了：超燃衝壓發動機。核心就一句話：在超音速空氣中實現點火併穩定燃燒，這需要巧妙的設計和優異的材料。

不算已故的大毛，美帝曾是一騎絕塵。早在十多年前，X-43就實打實試飛了多次，速度幾乎飆到了10馬赫，不過每次只能持續10秒鐘，讓人有點絕望。後來美帝改玩6馬赫的X-51，動力飛行達到了300秒，算是看到了一點實用的希望。

中國緊趕慢趕，2015年破了6馬赫，美帝終於有伴了。2018年底，中國航天空氣動力技術研究院實現了5毫秒內在3000m/s的空氣中對氫燃料的點火，這倆引數是超燃衝壓發動機突破10馬赫的關鍵。當然，這只是在風中點火而已，不比人家美帝實打實的飛行試驗。

對於超燃衝壓發動機來說，6馬赫只是門檻，10馬赫也不是夢想，過了15馬赫就比較乏力了，理論極限大約25馬赫。

還能再快點嗎？

再快就往航天上去了。航天發動機的解決思路是自帶氧氣，也就沒空氣啥事了，速度當然快，但行頭無比龐大，掉頭是不可能的，做的是有去無回的打算。這就是大夥熟悉的火箭發動機。

總結一下，渦輪發動機在3馬赫以下混，亞燃衝壓發動機在3-6馬赫混，超燃衝壓發動機在6馬赫以上混。

衝壓發動機是不能慢的，不然迎面吹來的空氣不夠燒，於是就有人想到了組合式發動機。前面提到的黑鳥，就是渦輪發動機和衝壓發動機的組合發動機，幾十年前的產物，哎，不得不服幾十年前的美帝。

第二，熱防護

稀薄的空氣，阻力雖小，但也不利於飛行器散熱，10馬赫的飛行器表面達到上千度也不稀奇。黑鳥在飛行時，因熱脹冷縮，機體會增長30釐米，而機內的零部件並不會跟著變長，光這一點，得帶來多大麻煩！

不過，本僧對熱防護技術沒啥興趣，找了一張高速飛行器的溫度分佈圖，算交差了。

第三，氣動外形

這得好好說道說道。

論外形的重要性

空氣和水都屬於流體，在流體中運動，外形的重要性，遠超外形在戀愛中的重要性，這事歸“流體力學”管。飛行控制和外形是一回事，都屬於流體力學的範疇。

如果你指望用計算去對付流體力學，最終都會敗在老師傅的經驗下，正如你無論用什麼技術折出兩架紙飛機，都不可能扔出一模一樣的飛行軌跡。

本僧斗膽放個妄言，在我看來，流體力學和中醫頗有幾分神似，因為流體力學的公式經常用到一個東西，叫“經驗係數”，這非常符合咱們的傳統習慣：我覺得這樣差不多了。

中國在這方面的造詣可謂登峰造極，而錢學森更是堪稱開掛級人物。當然，經驗係數也是靠實驗資料堆出來的，錢學森更不是掐指搖扇的算命先生。錢學森的貢獻並不只是空氣動力學，他的代表作是《工程控制論》，對中國整個工業化體系的建立意義非凡。

論貢獻和不可替代性，在建國後的中國科學家裡，錢學森算頂級中的頂級。另外，研究外形的錢學森的外形也是相當不錯喲！

因為流體力學有大量的經驗係數，所以需要積累大量經驗，這主要靠兩個手段，一是真刀真槍的飛行實驗，二是風洞實驗。

超高速的風洞實驗，持續時間是用毫秒算的，獲取的資訊非常有限，沒法和實際飛行相比，而飛行實驗，燒的可不是油，而是錢。兩者各有所長，各有所短。

美帝儘管風洞不弱，但人家當年仗著錢多，就想一步到位，直接玩飛行試驗，沒想到這錢燒的比油還快，沒幾年就收斂了不少。飛行實驗獲得的都是寶貴實測資料，可畢竟數量太少，經驗不夠就湊不出經驗係數。

從漫天飛舞的訊息看，美帝的玩法通常是裝上發動機猛踩油門，直接飈速度，有點像黑鳥的升級版，然後到處喊著1小時全球打擊。沒辦法，誰讓人家發動機牛逼呢！

錢學森彈道與打水漂

太空飆車，省油比速度重要，速度過了10馬赫就完全夠用了，再快都是浪費，但航程永遠不嫌多，要形成威懾力，少說也是幾千公里起步。

如果像黑鳥那樣，單純靠衝壓發動機的蠻力，推著飛行器在大氣層邊緣狂飆數千公里，來去自如，幾乎是一件不可能的事。

摸著石頭過河，不如摸著美帝過河，黑鳥的路線是走不通了。省油還得找竅門，竅門主要在外形，外形依然靠經驗。

中國因為當年窮，狠命發展風洞，一不小心把高速風洞玩到了獨步武林，風洞實驗還算省錢，所以積累了非常豐富的資料。於是，錢學森就開了一掛，說道，可以在大氣層邊緣走“助推-滑翔”彈道，也就是大夥熟知的“打水漂”。

原先一直以為這個比喻很形象，最近做了些功課，發現自己還是膚淺了。如果你知道了Sanger彈道，就會認為把錢學森彈道比喻成“衝浪”更合理，而“打水漂”這個比喻還是送給Sanger吧。

二戰時，小鬍子想炸美帝，於是德國人Sanger提出了一種前無古人的飛行器方案：飛行器重返大氣層後，利用小型發動機和氣動外形拐彎，再度飛出大氣層，如此往復，以增加射程。後來這一方案被美帝繳獲，然後被美國陸軍航空兵上校錢學森看到了。錢學森認為只要熱防護技術過關，飛行器完全可以在特定高度滑翔，根本不需要像Sanger彈道那麼折騰，於是就提出了錢學森彈道。

錢學森彈道簡單來說，就是把大氣層看成水面，飛行器像衝浪一樣在上面滑翔。對比彈道導彈，好處有三：其一，避免彈道被敵方計算；其二，大幅度提高航程；其三，可利用氣動外形實施機動。

因為高速飛行器和茶葉蛋攀得上關係，保密級別你懂的，所以只能是據說。據說，美帝只會用蠻力飈速度，速度飈得比誰都快，而中國已經可以開著衝壓發動機去大氣層邊緣浪了，還據說，可能已經給型號了。

2015年9月某次國產機試飛結束後，官方用了這麼一組描述：“該飛機剖面特殊、飛行方式獨特、飛行速度高度遠超史上所有試飛機型。”此事被認為是錢學森彈道已經應用的重要旁證。

從外媒捕風捉影的WU-14，到自家半遮半掩的東風26，還有大方示人的殲20運20，無不透露著中國在氣動外形領域的深厚功底，這可能是中國為數不多的能穩穩壓過美帝的主流技能了。

本僧雖常嘲笑阿三，調侃毛子，逗逗歐萌，但，從不看扁美帝。當年瑞典的鷹獅戰機採用和殲20一樣的鴨式佈局，飛控和氣動佈局沒過關，飛機直接拍地上，請美帝幫忙，美帝一出手就解決了問題。後來美帝覺得發動機才是王道，一直就沒把氣動當回事，如今就落了下風。若是中國把錢學森彈道這條路趟出來了，美帝未必不能趕上來（當然，得是健健康康的美帝）。

經驗算科學嗎？

依慣例，文末要對基礎科學感慨一番。

物理學家已經能把氫原子的狀態用方程表示出來，稱為狀態方程，解出這個方程，就能得到氫原子的狀態。

1個氫原子的狀態方程，計算難度大約是課後習題的水平。

2個氫原子待一起相互影響，狀態方程就複雜多了，非學霸無以解之。

3個氫原子的狀態方程，值得成立個課題，研究如何精確解。

10個氫原子的狀態方程，誰能精確解出來，諾貝爾獎也是能指望的。

100個氫原子的狀態方程，任誰都得跪。

啥意思呢？哪怕只有100個氫原子組成的系統，人類也無法精確計算其狀態。要知道，氫原子只有一個質子，是最簡單的原子，如果再把氧原子也放進來，那連計算的念頭都不會有。

所以，作為半導體領域基石的能帶理論，更不可能算出矽磷硼原子之間的複雜關係，只是一個近似理論。而在空氣動力學領域，連原子狀態方程都沒必要寫了，直接靠實驗攢經驗。

還有，製備材料的分子動力學，救死扶傷的醫藥學，探究生命的生物學……

科學，有時候無奈得只能靠經驗。