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为什么飞行器要用马赫来描述速度，而不用公里？马赫究竟有多快？( 二 )


如果天上有一架飞机撞上了音障 ， 地面上的人会听到一声巨响 ， 仿佛凭空发生了爆炸 ， 这就是音爆 。 被剧烈压缩的空气并没有被束缚住 ， 一边被压缩 ， 一边也会向周围急速扩张 ， 产生声波 。 炸药引发的爆炸声也是这么来的 。
同时 ， 地面上的人也能看到一个雾蒙蒙的圆锥体 ， 包裹在飞机周围 ， 这就是音爆云 。 音爆云的形成 ， 也是因为空气瞬间被压缩 ， 导致空气压强增大 ， 其中的水蒸气沸点降低 ， 迅速凝结成水珠 。 所以 ， 音爆云和真正的云彩 ， 都是由水蒸气构成的 。

不是说飞机遇到音障会四分五裂吗？原来音爆云不是它爆炸了？
其实 ， 人类飞行器早就能够平安突破音障了 。
飞机如何突破音障在二战期间 ， 同盟国和轴心国双方都投入了巨大努力 ， 争先恐后地研发更高、更快的战斗机 。 在这样的比拼当中 ， 到了二战后期 ， 战斗机平飞时的最大时速已经超过250米/秒 ， 高速俯冲时则很可能突破音速 。 飞行员们逐渐接近了“死亡漩涡” ， 却对自己面前的危险一无所知 。
1944年 ， 一位德国王牌飞行员诺沃特尼登上一架崭新的飞机 。 这架飞机是德军交给他试飞的最新型号 ， 军方希望这名王牌飞行员根据自己的经验提出改进意见 。 然而 ， 在一次俯冲测试之中 ， 这架飞机却当场粉碎 ， 飞行员也尸骨无存 。
一开始 ， 人们怀疑是美国空军前来偷袭 。 但是凭借当时的战斗机 ， 无论哪个国家的火力都不足以让诺沃特尼的座驾粉粹得如此彻底 。
1945年 ， 英国空军在试飞新型战斗机时 ， 发生了同样机毁人亡的事故 。 一位工程师说 ， 这就像飞机面前出现了一堵墙 。

音障这个词和它带来的危险 ， 才终于为人所知 。
为了突破这个“魔障” ， 各国科学家和工程师都铆足了劲 。 很快 ， 在1947年 ， 美国XS-1式（后改名为X-1）试验火箭飞机迈出了超越音速的第一步 。 这架飞机靠火箭发动机提供动力 ， 并且将传统的钝圆机头改为尖锥 ， 整个飞机的造型也变得尖锐 ， 飞机鼻子上还顶着针刺一样的空速管 。

这种飞机的设计理念是 ， 飞机应该尽快突破音障 。 在突破过程中 ， 飞机上的每个部位应尽可能同时达到音速 ， 以免机身各部位震荡频率不同导致解体 。 当然 ， 即便如此 ， 飞机仍然要经过一个极其颠簸的过程 ， 这只能靠材料的强度硬扛 。
凭借这些改良 ， 到二十世纪五十年代 ， 超音速战斗机开始量产 。
到了七十年代 ， 英国和法国共同推出了超音速的民用客机——协和飞机 。 不过 ， 这款飞机很快就因为油耗过大以及事故频发 ， 退出了市场 。 因此 ， 虽然人类已经踏出了音障 ， 但是民用客机仍然维持在亚音速水平 。
新的“魔障”：热障和黑障随着设计的发展 ， 压缩后的空气无法困住人类的脚步 。 但是 ， 这可不代表空气就此放了人类一马 。
在超音速时代 ， 飞行器速度越来越快 ， 与空气摩擦产生的热量也越来越大 。 原本无所谓的小小热量 ， 在飞机速度提升之后 ， 成了危及飞行器的新障碍——热障 。
飞机在起飞、爬升之后 ， 会进入平流层做长距离飞行 。 在平流层中 ， 当飞机的速度达到2马赫 ， 机头温度升至120℃ ， 达到3马赫之后 ， 温度随之上升到370℃ 。
为了轻便 ， 飞机的外壳通常是铝合金 ， 在这样的高温下 ， 铝合金强度飞快减弱 ， 飞机也就变成“烤鸭”了 。

不过 ， 科学家们发现 ， 热障出现在2.2马赫左右 。 当飞行器速度突破2.2马赫 ， 虽然表面温度仍在升高 ， 但散热能力也随之增强 ， 因此高温不再威胁飞行器的安全 。
这样 ， 问题就简单了 。 一方面 ， 借助材料工艺的发展 ， 飞行器加装了更耐热、更轻便的钛合金甚至高分子陶瓷外壳 。 另一方面 ， 科学家们也为超音速飞机设计了水冷系统 ， 人工加快散热速度 。
如果飞行器速度太大 ， 大到足以离开地球、进入太空 ， 就要使用烧蚀材料来散热了 。 这些材料反其道而行之 ， 非常容易燃烧、融化最后汽化 ， 这些反应都会吸热 ， 因此也降低了飞行器的热量 。
然而 ， 当离开地球的飞行器打算回来 ， 新的障碍又出现了 。 面对这个障碍 ， 人类目前还是一头雾水 。
2022年即将过去 ， 我国已经完成了中国空间站在轨建造 ， 神舟十四号带着航天员进入天宫已经有半年了 。 当这些航天员结束任务返回地球时 ， 将在大气层内度过无比漫长的五分钟 。

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