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马赫是什么单位?它是如何定义的?

马赫(Mach number)是表示速度的量词,马赫数是飞行的速度和当时飞行环境下的音速之比值,大于1表示比音速快,同理,小于1是比音速慢。

这种问题的核心并不在于马赫是什么?而是在于为什么战斗机会选择用马赫数作为其飞行速度的指标。

我们知道的是1马赫=1倍音速。但大多数人不知道的是声速可变。

先说说声波和声速吧,有助于理解这个问题。

 

当一个物体在空气中震动的时候就会带动空气振动,这种振动就是空气中的声波了(液体和固体中也有这种振动传递叫做液体声速和固体声速)。空气的振动其实特别有意思,因为空气是一种可以压缩的物质,因此在振动的时候会出现被压缩和倍扩张的情况——因此声波在传递过程中是以一种纵波(纵波:振动方向和传播方向平行)的方式进行传递的。

那么如果这个振动源在空气中移动会怎样?很多人觉得会产生多普勒效应,逼近的时候音调提高,远离的时候音调降低。

 

那么就有一个很好玩的特例了,如果在空气中运动的物体以声速运行,那么物体前面空气中传递的纵波就无法进行传递,会一直积累在物体前面。于是空气就会在物体前面无限的压缩(理想气体),物体前面的音调就会无限的提高。在这种时候就产生了一个概念叫做音障。

 

如果是理想气体的话,音障是一个密度无限大的墙,飞机撞在上面的时候会直接破碎。但世界上并没有理想气体,并且空气还是一种流体,因此空气就会形成激波将作用于飞行物前面压缩空气的能量向运动方向的四周传递出去。

一旦压缩空气的能量被向四周释放,那么这个物体就达到了音速突破了音障。

 

突破音障的时候会造成大量的能量释放——音爆。这个能量集中在飞行器飞行路线的一个锥角范畴内,具有极大的伤害作用。这种伤害不仅仅对于飞机之外的人或事物有伤害,对于飞机本身也是存在伤害的。因此凡是能超过音速的飞机在设计过程中都对音爆激波进行形状优化,使飞机上的部件处于这个锥体之内。

 

而且突破音障的过程也是一个需要飞行员、飞机做好准备的过程,因为音障突破后压力迅速释放,飞机的运动特性会有较大改变。

但这里问题就来了,我们刚刚提到了声速可变,声速和气压、温度都有密切关系,不同高度的声速是不一样的,我们通常说的340米/秒声速是在海平面高度25度的条件下的声速,如果海拔增高到10000米高度声速有可能降低到300米/秒以下(其实根据公式计算是299.41米/秒)。那么如果用公里/小时或者海里/小时的固定速度进行速度表示的话,那么飞行员就根本不知道自己在哪个速度节点上达到声速,也无法做出跨越音障的准备。

 

因此在基础的六种飞行仪表之外,能够超音速的飞机一般都会有一个马赫表(上图没有)。马赫表的样子是:

 

就是一个指针小仪表,其实在飞机驾驶舱内并不显眼,而且由于其仅仅是夸音速的时候用一下,还有很多飞机将马赫表做到空速表上。

200位置的黄色小尖头表示是1马赫。

所以说啊,马赫数其实用处真的对战斗机没太大意义。唯一的意义也就是在同等高度马赫数极限高的飞机飞行速度快一些而已。

平时飞行员基本上也不看这个表的,直接看速度表,飞机上的速度表叫空速,代表飞机在空中相对于空气的速度。而地面塔台则通过雷达测速计算飞机的地速,代表飞机相对于地面的速度。

没有报速度喊:“ 01,01,你的飞行速度,呃……是2.3马赫。”这样太不精确了。