高速飞行器：飞机速度为啥用「马赫」表示？

因为带抽风机的涡轮发动机提供的速度有限，而天下武功又是唯快不破，所以在军事对抗上，大伙很快就在把注意力放在了高速飞行器上。

首先一个问题，飞机速度为啥用「马赫」表示？马赫它表示的是速度和音速的比值。马赫这个名字呢，其实是奥地利物理学家恩斯特·马赫（Ernst Mach，1838-1916）的名字，因为是他第一个引用了这个单位，所以后来大家就用他的名字来命名了。可以简答地理解为，多少马赫就是多少倍音速。

很多人不知道，马赫其实不是一个固定的数字。在空气稀薄的万米高空，音速是 295m/s，1 马赫就是 295m/s；在空气稠密的低空，音速则达到了 340m/s，1 马赫就是 340m/s；在没有空气的太空，声音无法传播，所以不能用马赫表示速度。

那为什么算个速度要这么折腾呢？咱们试着用几句话来解释一下：

第一，飞机飞行和发动机运转，会产生很大的声音；

第二，声音传播的本质是空气分子的振动波；

第三，当声源的速度等于声波传输的速度，此时运动方向上的波峰波谷就会无限叠加；

第四，这种无限叠加的振动波会导致空气被极度压缩，压力骤增；

第五，空气中的水蒸气随后被液化成小水滴，也就是大家电视里常看到的围绕飞行器的白雾，并产生音爆；

第六，超音速的瞬间，飞行器像是撞到了一堵用高密度空气筑成的墙上，这种由声波导致空气压缩产生的阻力，学名叫做激波阻力。

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激波阻力骤增骤降，非常考验飞行器的技术含量，而音速不是一个固定值，因此用马赫来表示大气层内飞行器的速度也就顺理成章了。

此外还有因空气摩擦产生的飞行阻力，这股力与空气的密度成正比，与速度的平方成正比，简单点说就是，速度增加一倍，阻力会变大四倍。

激波阻力和飞行阻力一叠加，麻烦大了！如果飞行器全程都在稠密的大气层内飞行，无论导弹还是飞机，速度能超过 5 马赫你就是半仙了！而即便撑到了 5 马赫，那也是拿燃料往发动机里灌出来的，你都能看到油箱里面有一个吸油产生的漩涡！能持续 5 分钟可就是真正的神仙了！

所以，5 马赫，差不多是大气层内低空飞行器的极限，注意，这说的是全程都在低空大气层内飞行的速度极限，那些从高空回来的飞行器超过 5 马赫速度倒也是很正常的。因此，用大气层内的武器去拦截 5 马赫以上的机动目标，成功与否主要取决于祖坟是否冒青烟。

对飞行器来说，空气可真不是个好东西！于是，人们就把主意打到了外太空。

「太空没有重力，轻轻一推就能飞很远？」

大多小盆友一直认为太空没有重力，这让九年义务教育外加三年高中情何以堪！

太空只是没有空气而已，近地轨道的重力和地面差不了多少。失重不是失去重力的意思，而是物体受到的支撑力或拉力小于物体的重力。这应该不难理解，高中毕过业的你一定能听懂。

所以呢，所谓的太空飞行，实际上就是靠惯性一直在天上飘着，路线是死死的。眼下得人类是不可能在太空实现自由翱翔的，因为这需要海量燃料，多到根本飞不起来。光是把飞行器加速到第一宇宙速度的 7.9 公里每秒，几十上百吨的燃料就没了，如果还想在太空掉个头，就只能请佛祖帮忙了。

举个例子。在大气层内飞行，只要动动机翼，就能来个直角转弯。太空的直角拐弯怎么做呢？飞行器要开启反向发动机，把竖直方向的速度从 7.9km/s 降到 0，与此同时开启横向发动机，把横向速度从 0 加速到 7.9km/s。速度慢一点不行吗？当然可以，但是底下还得开个发动机托着，不然绕圈离心力不足以抵消地球引力，飞行器就会掉下来。

再把这中学知识给那些大学毕业生强调一遍：在太空是没法悬停的，你能做的只有飞速绕地球转圈，让离心力去抵消重力。

所以，速度固然可以飙得很快，可一旦想转弯或减速，你还是会超级怀念空气了。

对于飞行器来讲，赶路的时候最好没有空气，滞空或拐弯的时候最好有空气。哪里能实现这个要求呢?还真有，那里就是大气层边缘，在这里飞行的飞行器，学名叫做临近空间飞行器，简称临空飞行器，因为这货速度通常超过 5 马赫，所以也可以叫超高速飞行器。

这有啥好处呢？标题党老拿速度说事，这仅仅是速度的事儿吗？

你以为单纯的超高速飞行很稀罕吗？洲际导弹速度达到几十马赫它骄傲了吗！临空飞行了不起吗？一枚低配版的火箭就可以太空旅游了，知道吗！所以无论按速度还是按高度算，高速飞行器拍马也追不上弹道导弹。

这肯定有点不妥啊，是哪里不对劲呢？

如果不懂点中段反导的常识，就不明白高速飞行器的意义。

下面简单总结下反导的内容：

洲际弹道导弹可以看成一门大号火炮，弹头加速就刚开始的几分钟而已，剩下 80% 的时间，弹头是处于无动力滑行状态的，最后靠自由落体砸向目标。

反导拦截弹也是一门大号火炮，同样无法在太空自由翱翔，到了太空也是靠惯性飘过去，虽然也会带着小型的调姿发动机，其末端轨道修正能力也不会超过几公里。

如果不是提前约好地点，两门隔着上千公里的大炮想在太空相遇，这缘分怕是八辈子都修不来。所以，反导的前提是计算来袭弹头的轨道，能计算轨道的前提是弹头必须无动力滑行，这就是中段反导的基本原理。

所以，作为弹头若是这么傻傻地飘过去，被拦截的概率还是不小的，后来洲际导弹就动了很多脑筋，变轨啊、诱饵弹啊、制冷啊、铝箔干扰啊……总之，两者在中段飞行时的较量是非常激烈的。

可是，弹头一旦重返大气层，就基本无解了。大气层内的拦截弹撑死 5 马赫，十几马赫的弹头稍微拐个弯，拦截弹马上甩没影，几秒钟后，蘑菇弹就送家门口了。

有的同学这里会有疑问，既然拦截是迎头碰撞，为啥还要比谁速度快，我站着不动你都会撞上来啊？哈哈，我来举个例子，来袭弹头 10 马赫，拦截弹 4 马赫，两者相距 5 公里，约 1 秒后相撞。此时弹头来个末端机动，横向移个百十来米，你 4 马赫的小短腿跟得上不？更别说你站着不动了。

所以大气层内的防空主要针对低速目标，诸如飞机、巡航导弹之类，对付洲际导弹，和徒手接子弹的难度差不多。

看到这，大家能不能悟出点啥？如果弹头能够跨过中段飞行，直接进入末端，带着 10 马赫的淫威重返大气层，面对不到 5 马赫的拦截弹，此时响起的背景音乐肯定是：「无敌是多么……多么寂寞……」

还是用数字说得明白一点。

假设，在 2000 公里外、50 公里高的大气层边缘，发现一架高速飞行器以 10 马赫速度飘过来，该怎么办？

首先，发射一颗足够射程的中段反导拦截弹！前面说了，中段反导是一门大号火炮，这家伙助推完成大约只飞出一两百公里，剩下的一千多公里靠惯性飘过去。拦截弹为了飙速度赶时间，也为了拦截瞬间的灵活性，不可能带很多燃料，因此变轨距离非常有限。

早些年，被誉为黑科技的美帝「标准 3」中段反导拦截弹，末端变轨能力也才 3 千米出头，也就是说，这枚拦截弹飘到一千多公里外，与目标的偏差不能超过 3 公里。3 公里啊，这点距离在太空算啥！高速飞行器的方向盘抖一抖，就能轻松甩开这 3 公里！

若中段拦截失败，等高速飞行器近了，再发射末端高空拦截弹，比如萨德！萨德从地面往上飞，不爬到几十公里高，速度是上不来的，而高速飞行器居高临下，两者极限速度又差不多，绕个圈，把萨德燃料耗完，事情也就了了。飞到目标区域后，以 10 马赫的速度丢下弹头，然后返航。

到最后弹头飞下来，用近防炮、密集阵拦截，只是图个心理安慰！这些玩意儿的射程大约 2~3 公里，对弹头来说，不到 1 秒就飞完了，何况，茶叶蛋一般在空中引爆，留给近防炮的时间不会超过 0.5 秒，所以肯定是指望不上的。哦，对了，近防炮的炮弹初速度一般只有 3 马赫左右。

现在大家明白了吧，拥有导弹的速度和飞机的机动性，咱么无论是去扔炸药，还是送茶叶蛋，那画面，就跟开着轰炸机回古代轰炸战斗原始人差不多。也正是拥有这种非同寻常的意义，我等吃瓜群众才日思夜想望眼欲穿呐！

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美帝的黑鸟 SR71，是史上最接近该场景的实例。

这货巡航速度超过 3 马赫，飞行高度 20 公里以上，甩开同时代的防空导弹就像呼吸一样自然，妥妥的纵横天空三十载！「天下武功唯快不破」的最真实写照！

不过，开挂并不是一件轻松的事，即便是美帝。对于快如闪电的黑鸟来说，也遭了不少罪，拐弯拐得太急都容易散架，更别提复杂的战斗动作了。所以黑鸟只是一架直来直去的侦察机，威慑力大减！即便只是侦察，32 架黑鸟虽无一被击落，但自个儿摔了 12 架，这摔机自毁比例，印度三哥都惊呼内行！

再后来么，3 马赫没法包打天下，黑鸟便只能退役了。

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仅达到 3 马赫的黑鸟都摔成这样，大家就知道这事，肯定不简单。所以高速飞行器作为一个新物种，没有以下三把刷子镇不住偌大的名头。

第一把刷子：超燃冲压发动机

上一篇咱们说了，想要飞的快，就得燃料倒的多，燃料一多，空气就不够烧了。航空发动机的解决思路是装一台抽气机。抽气机转太快叶片是要散架的，卯足了劲抽的空气，最多只能供发动机飞到两三个马赫。

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还能快点吗？

能！当速度超过 3 马赫，迎面吹来的空气经过进气道，自己压缩自己就足够燃烧了，这就是冲压发动机的概念。但是悲剧的是，火焰燃烧他是有传播速度的，如果风速太快，火焰传播的速度追不上风速，火焰就会被吹散。为此，超过 3 马赫的空气要降为亚音速才能进入发动机的燃烧室，这一降速，塞进发动机的空气也就有了上限，导致飞行器速度快不过 6 马赫。这类在 3-6 马赫之间的发动机就叫亚燃冲压发动机。

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还能更快点吗？

更快的速度意味着更多的空气，为了塞更多空气，就只能任由超音速空气进入燃烧室，现在主角终于来了：他就是超燃冲压发动机。核心就一句话：在超音速空气中实现点火并稳定燃烧，这需要巧妙的设计和优异的材料。

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不算已作古的毛子，美帝在这块一骑绝尘。早在十多年前，X-43 就实打实试飞了多次，速度几乎飙到了 10 马赫，不过每次只能持续 10 秒钟，让人有点绝望。后来美帝改玩 6 马赫的 X-51，动力飞行达到了 300 秒，算是看到了一点实用的希望。

中国紧赶慢赶，2015 年破了 6 马赫的速度，美帝算是终于有个伴了。2018 年底，中国航天 空气动力技术 研究院 实现了 5 毫秒内在 3000 米每秒的空气中，对氢燃料进行点火，这俩参数都是超燃冲压发动机突破 10 马赫的关键。当然，这只是在风中点火而已，不比人家美帝实打实的飞行试验。2020 年中国科学院力学研究所的「站立式斜爆轰冲压发动机」理论上能够达到音速的十六倍，不过也仅仅是进行了风动验证，要实现实用仍旧是任重道远。

对于超燃冲压发动机来说，6 马赫只是门槛，10 马赫也不是梦想，过了 15 马赫就比较乏力了，理论极限大约 25 马赫。

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那么，还能再快点吗？

再快就往航天上去了。航天发动机的解决思路是自带氧化剂，也就没空气啥事了，他速度贼快，但行头无比庞大，掉头是不可能的，做的是有去无回的打算。这就是大伙熟悉的火箭发动机。

总结一下，涡轮发动机在 3 马赫以下混，亚燃冲压发动机在 3-6 马赫混，超燃冲压发动机在 6 马赫以上混。

冲压发动机是不能慢的，不然迎面吹来的空气不够烧，于是就有人想到了组合式发动机。前面提到的黑鸟，就是涡轮发动机和冲压发动机的组合发动机，这已经是美帝几十年前的产物了，就问你服不服。

高速飞行器，光快是不行的，还得要第二把刷子：热防护。

稀薄的空气，阻力虽小，同时却也不利于飞行器散热，10 马赫的飞行器表面达到上千度也不稀奇。黑鸟在飞行时，因热胀冷缩，机体会增加 30 厘米，而机内的零部件却并不会跟着变长，你想想，光这一点，就得带来多大麻烦！

不过，热防护是个挺无聊的话题，就此别过吧。

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直接说高速飞行器的第三把刷子：气动外形。

这个比较有意思，咱们得好好说道说道。

空气和水都属于流体，在流体中运动，外形的重要性，远超外形在恋爱中的重要性，这事归「流体力学」管。飞行控制和外形是一同回事，都属于流体力学的范畴。

如果你指望用计算去对付流体力学，那最终都会败在老师傅的经验下，正如你无论用什么技术折出两架纸飞机，都不可能扔出一模一样的飞行轨迹。

这里斗胆放个妄言，在我看来，流体力学和中医颇有几分神似，因为流体力学的公式经常用到一个东西，叫「经验系数」，这就非常符合咱们的传统习惯，那就是：我觉得这样差不多了。

中国在这方面的造诣可谓登峰造极，而钱学森更是堪称开挂级人物。当然，经验系数也是靠实验数据堆出来的，钱学森更不是掐指摇扇的算命先生。钱学森的贡献并不只是空气动力学，他的代表作是《工程控制论》，对中国整个工业化体系的建立意义非凡。

论贡献和不可替代性，在建国后的中国科学家里，钱学森算顶级中的顶级。另外，研究外形的，钱学森其本人的外形也是相当不错哟！大家可以到文字版去看看钱老的风采。

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因为流体力学有大量的经验系数，所以需要积累大量经验，这主要靠两个手段，一是真刀真枪的飞行实验，二就是风洞实验。

超高速的风洞实验，持续时间是用毫秒算的，获取的信息非常有限，没法和实际飞行相比，而飞行实验，烧的可不是油，而是钱。两者各有所长，各有所短。

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美帝尽管风洞不弱，但人家当年仗着钱多，就想一步到位，直接玩飞行试验，没想到这钱烧的比油还快，没几年就收敛了不少。飞行实验获得的都是宝贵的实测数据，可毕竟数量太少，经验不够就凑不出经验系数。

从漫天飞舞的消息看，美帝的玩法通常是装上发动机猛踩油门，直接飚速度，有点像黑鸟的升级版，然后到处喊着 1 小时全球打击。没办法，谁让人家发动机牛逼呢！

在太空飙车，省油比速度重要，速度过了 10 马赫就完全够用了，再快都是浪费，但航程永远不嫌多，要形成威慑力，少说也是几千公里起步。

如果像黑鸟那样，单纯靠冲压发动机的蛮力，推着飞行器在大气层边缘狂飙数千公里，来去自如，几乎是一件不可能的事。

摸着石头过河，不如摸着美帝过河，黑鸟的路线眼看是走不通了。省油还得找窍门，窍门主要在外形，外形依然靠经验。

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中国因为当年穷，狠命发展风洞，一不小心把高速风洞玩到了独步武林的级别，风洞实验还算省钱，所以我们积累了非常丰富的数据。于是，钱学森就开了一挂，说道，可以在大气层边缘走「助推-滑翔」弹道，也就是大伙熟知的「打水漂」。

原先一直以为这个比喻很形象，最近做了些功课，发现自己还是肤浅了。如果你知道了 Sanger 弹道，就会认为把钱学森弹道比喻成「冲浪」更合理，而「打水漂」这个比喻咱们还是送给 Sanger 吧。

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二战时，小胡子想炸美帝，于是德国人 Sanger 提出了一种前无古人的飞行器方案：飞行器重返大气层后，利用小型发动机和气动外形拐弯，再度飞出大气层，如此往复，以增加射程。后来这一方案被美帝缴获，然后被美国陆军航空兵上校钱学森看到了。是的，钱学森当年在美军里地位可不低。钱学森认为只要热防护技术过关，飞行器完全可以在特定高度滑翔，根本不需要像 Sanger 弹道那么折腾，于是就提出了著名的「钱学森弹道」。

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钱学森弹道简单来说，就是把大气层看成水面，飞行器像冲浪一样在上面滑翔。对比弹道导弹，好处有三：

其一，避免弹道被敌方计算；其二，大幅度提高航程；其三，可利用气动外形实施机动。

因为高速飞行器和蘑菇蛋攀得上关系，这保密级别你懂的。

从国庆阅兵的东风 17，到半遮半掩的东风 26，还有大方示人的歼 20、运 20，无不透露着兔子在气动外形领域的深厚功底，这可能是兔子为数不多的能稳稳压过美帝的主流技能了。

咱们虽然经常嘲笑三哥，调侃毛子，逗逗欧萌，但是，我们从不看扁美帝。当年瑞典的鹰狮战机采用和歼 20 一样的鸭式布局，飞控和气动布局没过关，飞机直接拍地上，请美帝帮忙，美帝一出手就解决了问题。后来美帝觉得发动机才是王道，一直就没把气动当回事，如今就落了下风。若是中国把钱学森弹道这条路趟出来了，实际上可能已经趟出来了，美帝未必不能赶上来。

流体力学严格地说，只能算经验学，那这玩意儿靠谱吗？

这么和你说吧，物理学家已经能把氢原子的状态用方程表示出来，称为状态方程，解出这个方程，就能得到氢原子的状态。

1 个氢原子的状态方程，计算难度大约是课后习题的水平。

两个氢原子待一起相互影响，状态方程就复杂多了，不是学霸解不了。

3 个氢原子的状态方程，值得成立一个课题组，来研究如何精确解。

10 个氢原子的状态方程，谁能精确解出来，诺贝尔奖也是能指望的。

100 个氢原子的状态方程，任谁都得跪。

什么意思呢？哪怕只有 100 个氢原子组成的系统，人类目前也无法精确计算其状态。要知道，氢原子可是只有一个质子，是最简单的原子，如果再把氧原子也放进来，那咱们是连计算的念头都不会有。

所以，别以为现代科技有多了不起，在空气动力学领域，我们连原子状态方程都没必要写了，直接靠实验攒经验值。

科学，有时候无奈得只能靠经验。