為什麼飛行器要用馬赫來描述速度，而不用公里？馬赫究竟有多快？

馬赫，知道嗎？

你聽到這個問題之後，也許正在在心裡回憶自己認識哪些“老馬家”的人。

先把你的朋友圈放一放，這裡說的馬赫是一種單位，專門用來衡量運動中物體的速度。

馬赫是什麼？

馬赫的定義是速度與音速的比值。所以，1馬赫就是一倍音速，相當於聲音的速度乘以1。

那麼，聲音的速度是多少呢？

這個問題可就難了。聲音本質上是一種震動。當一個物體發生震動，它就成為了聲源，從自身開始，把震動透過周圍的物質傳播出去。

這些能夠傳播聲音的物質稱為介質，傳播聲音的原理是它們會隨著聲源的震動而震動。組成空氣的氣體分子、組成水的水分子和種種固體物質都可以作為聲音傳播的介質。當然，在真空當中什麼分子都沒有，聲音自然也無法傳播了。

從聲源發出的震動經過介質，達到我們的耳朵裡，引起耳朵裡鼓膜的震動，我們就聽到了聲音。

至於聲音的速度有多快，取決於介質的密度，也就是介質中的分子、原子有多密。簡而言之，就像是大家排排站，擊鼓傳花。人越多，站得越密，傳得也就越快。

可是，密度並不是固定不變的。以最常見的空氣為例，溫度越低、海拔越高，空氣就越稀薄，聲音在其中的傳播速度就越慢。

因此，為了研究方便，科學家們將溫度為0℃、在緯度45度的海平面上測定的氣壓定為標準大氣壓。在標準大氣壓下，溫度為15℃時，聲音的速度是344米/秒，這就是標準音速。

在日常生活中，我們使用標準音速就可以了。不過工程師們在計算飛行器的速度時，就要根據飛行器在大氣層中的位置來計算不同階段的音速。

為什麼飛行器才使用馬赫？

我們平時走路的速度大約是1。5米/秒，為什麼不可以說是0。004馬赫？

還有公路上的限速都以“公里/時”為單位，為什麼不也改成馬赫？這樣看著多高大上啊！

在日常生活裡，使用什麼速度單位都是為了便於人們理解。如果大家願意使用馬赫，也不會造成任何嚴重後果。

然而，如果飛行器不使用馬赫作為單位，飛行員可就慘了。使用以音速為標準的馬赫，才能讓飛行員及時意識到，自己什麼時候要撞上音障。

音障是什麼？

上文提過，物體聲音來自於物體的震動。那麼，物體在震動時也會發出聲音，會帶動周圍的介質一起震動。

當聲音在空氣中傳播，空氣分子隨聲源發出的震動被壓縮，隨後復原，將聲音一波波傳遞出去。因此，空氣被壓縮又復原的速度就相當於在同樣條件下的音速。

當飛行器在空氣中行進時，它周圍的空氣也會被它推動。這時，飛行器前方的空氣無法及時擴散，就會發生一定程度的壓縮。

當飛行器的速度低於音速，這樣產生的壓縮將被它前方的空氣以音速的速度傳遞。這就好像飛行器一邊飛，它前方的空氣幫著吆喝“它來了它來了，它腳踏祥雲走來了”。於是，飛行器就能像一把刀子一樣，在空氣裡穿行。

然而，當飛行器的速度達到音速的90%，它就能追上自己發出的聲音。飛行器前方的空氣還來不及把訊息傳播出去，飛行器自己就追上來了。這時，飛行器前方的空氣會層層壓縮，區域性氣流的速度超過音速，形成激波。這時飛行器身邊的壓強也會劇烈增加。壓強加上激波的危險境地，被飛行員和工程師們稱為“死亡漩渦”，也就是我們平時說的“音障”。

音障會讓飛行器渾身顫抖，嚴重時甚至會把飛行器的翅膀活活撕下來，讓它在半空中四分五裂。

如果天上有一架飛機撞上了音障，地面上的人會聽到一聲巨響，彷彿憑空發生了爆炸，這就是音爆。被劇烈壓縮的空氣並沒有被束縛住，一邊被壓縮，一邊也會向周圍急速擴張，產生聲波。炸藥引發的爆炸聲也是這麼來的。

同時，地面上的人也能看到一個霧濛濛的圓錐體，包裹在飛機周圍，這就是音爆雲。音爆雲的形成，也是因為空氣瞬間被壓縮，導致空氣壓強增大，其中的水蒸氣沸點降低，迅速凝結成水珠。所以，音爆雲和真正的雲彩，都是由水蒸氣構成的。

不是說飛機遇到音障會四分五裂嗎？原來音爆雲不是它爆炸了？

其實，人類飛行器早就能夠平安突破音障了。

飛機如何突破音障

在二戰期間，同盟國和軸心國雙方都投入了巨大努力，爭先恐後地研發更高、更快的戰鬥機。在這樣的比拼當中，到了二戰後期，戰鬥機平飛時的最大時速已經超過250米/秒，高速俯衝時則很可能突破音速。飛行員們逐漸接近了“死亡漩渦”，卻對自己面前的危險一無所知。

1944年，一位德國王牌飛行員諾沃特尼登上一架嶄新的飛機。這架飛機是德軍交給他試飛的最新型號，軍方希望這名王牌飛行員根據自己的經驗提出改進意見。然而，在一次俯衝測試之中，這架飛機卻當場粉碎，飛行員也屍骨無存。

一開始，人們懷疑是美國空軍前來偷襲。但是憑藉當時的戰鬥機，無論哪個國家的火力都不足以讓諾沃特尼的座駕粉粹得如此徹底。

1945年，英國空軍在試飛新型戰鬥機時，發生了同樣機毀人亡的事故。一位工程師說，這就像飛機面前出現了一堵牆。

音障這個詞和它帶來的危險，才終於為人所知。

為了突破這個“魔障”，各國科學家和工程師都鉚足了勁。很快，在1947年，美國XS-1式（後改名為X-1）試驗火箭飛機邁出了超越音速的第一步。這架飛機靠火箭發動機提供動力，並且將傳統的鈍圓機頭改為尖錐，整個飛機的造型也變得尖銳，飛機鼻子上還頂著針刺一樣的空速管。

這種飛機的設計理念是，飛機應該儘快突破音障。在突破過程中，飛機上的每個部位應儘可能同時達到音速，以免機身各部位震盪頻率不同導致解體。當然，即便如此，飛機仍然要經過一個極其顛簸的過程，這隻能靠材料的強度硬扛。

憑藉這些改良，到二十世紀五十年代，超音速戰鬥機開始量產。

到了七十年代，英國和法國共同推出了超音速的民用客機——協和飛機。不過，這款飛機很快就因為油耗過大以及事故頻發，退出了市場。因此，雖然人類已經踏出了音障，但是民用客機仍然維持在亞音速水平。

新的“魔障”：熱障和黑障

隨著設計的發展，壓縮後的空氣無法困住人類的腳步。但是，這可不代表空氣就此放了人類一馬。

在超音速時代，飛行器速度越來越快，與空氣摩擦產生的熱量也越來越大。

原本無所謂的小小熱量，在飛機速度提升之後，成了危及飛行器的新障礙——熱障。

飛機在起飛、爬升之後，會進入平流層做長距離飛行。在平流層中，當飛機的速度達到2馬赫，機頭溫度升至120℃，達到3馬赫之後，溫度隨之上升到370℃。

為了輕便，飛機的外殼通常是鋁合金，在這樣的高溫下，鋁合金強度飛快減弱，飛機也就變成“烤鴨”了。

不過，科學家們發現，熱障出現在2。2馬赫左右。當飛行器速度突破2。2馬赫，雖然表面溫度仍在升高，但散熱能力也隨之增強，因此高溫不再威脅飛行器的安全。

這樣，問題就簡單了。一方面，藉助材料工藝的發展，飛行器加裝了更耐熱、更輕便的鈦合金甚至高分子陶瓷外殼。另一方面，科學家們也為超音速飛機設計了水冷系統，人工加快散熱速度。

如果飛行器速度太大，大到足以離開地球、進入太空，就要使用燒蝕材料來散熱了。這些材料反其道而行之，非常容易燃燒、融化最後汽化，這些反應都會吸熱，因此也降低了飛行器的熱量。

然而，當離開地球的飛行器打算回來，新的障礙又出現了。面對這個障礙，人類目前還是一頭霧水。

2022年即將過去，我國已經完成了中國空間站在軌建造，神舟十四號帶著航天員進入天宮已經有半年了。當這些航天員結束任務返回地球時，將在大氣層內度過無比漫長的五分鐘。

返回艙進入大氣層後，速度能達到30馬赫甚至更高，溫度達到兩到三千攝氏度。這時，塗裝在返回艙外的燒蝕材料快速汽化，空氣也在高溫下發生電離，最終導致返回艙外包裹著一層等離子體鞘套。

於是，返回艙一頭撞進了黑障。

返回艙與地面通訊使用的是電磁波，而電磁波最怕的就是等離子體。等離子體會將電磁波反射甚至吸收，因此飛行器發出的無線電訊號全部“融化”在這一片高溫之中。外界傳來的訊號也無法突破。整個返回艙如同被一塊黑布包裹一般，過程一般在五分鐘左右。

在這五分鐘之內，返回艙中的航天員僅憑自己的勇氣和毅力抵擋失聯的恐懼。而地面指揮中心的人們，也動用了全部的智慧來定位返回艙的準確落點，力求儘早找到他們。

到目前為止，人類拿黑障還沒有辦法。無論是消除等離子體的塗料，還是改變訊號頻率以穿透黑障最薄弱處，這些方法都只能儘量削弱黑障的厚度，卻無法真正突破它。

然而，一代代科學家們仍然燃燒著自己的青春，力求早日照亮黑障，讓人類的腳步邁向更遙遠的地方。