马赫是什么单位速度有多快？为何飞行器用马赫来描述速度

有一天，动物界举行全员赛跑运动会，参赛的除了兔子乌龟之外，还有蚂蚁、大象等体型太过悬殊的动物们。起初比赛进行的还算顺利，可当大家商量用何种单位来展示动物们的速度时，便出现了严重的分歧。

因为，蚂蚁气喘吁吁快速爬行的时候，大象撩开长腿几步就跑出了老远，更不要说鱼虾在水中游，鸟和蜜蜂等在空中飞。从体型到速度都有差异，甚至所处环境介质都不一样，所以难以统一单位也算情有可原。

眼看动物们束手无策，于是大家便求助更高等的动物人类。人类就说，他们每天其实也在为不同移动速度该如何衡量而发愁，好在聪明的人类发明了不同单位间的换算模式。

（一架正突破了音障的飞机）

比如步行就用米来计算；车船民航客机就用千米来计算；更高速度的超音速飞行器，诸如超音速战机、火箭、导弹等就用马赫来计算。这样一来，既能清晰展示不同物体的移动速度，也能精准的利用各衡量单位进行换算。

听了人类的介绍后，动物们纷纷感慨：这直立行走的猴子之所以能统治地球，原来是脑子里有真东西。

下面要接着说的，就是超音速飞行器的衡量单位——马赫。

“马赫”这个词大多数人既熟悉又陌生。熟悉是因为常从各类资讯中，看到其用来指代某种高速飞行器的速度。陌生则由于大多数人对它知之甚少，其指代的速度究竟是多少，往往也是一知半解。

(可以超音速飞行的协和民航客机)

从惯常思维来看，某种物体移动速度是多少，只要进行累计即可。比如普通火车的时速为120千米，高铁的时速可以达到300-600千米，飞机的时速超过了800千米。移动速度加快，在原有的“千米”单位前增加数字就行。然而，数字的增加是有上限的，这个上限就是声音的传播速度。

音速又叫声速，可概括理解为声波在环境介质下的传递速率。环境介质不同，音速也就有快有慢。日常所说的“音速“，指的是声音在空气介质中行进的速度，换算成距离单位大约为每秒343.2米，即每小时1236千米。

看起来这个单位数值可以固定，可实际上即便是在空气中，由于高度、密度、湿度以及温度等差异，音速的数值也会有变化。

（2.92马赫下飞机产生的音爆）

比如万米高空的音速大约为295米每秒，但若是降低到海平面的高度，其速度就成了331.5米每秒；除了高度有差异外，空气中温度每升高一摄氏度，音速也会以每秒大约0.6米的速度增加。

目前人类社会中，能超过音速移动的物体只有飞行器。如果用常规的速度单位来衡量不是不可以，但是一方面这样的数值会很大，另一方面无法精准表达飞行器所处环境介质的具体情况。于是在专业的表达领域，就出现了马赫这个单位。

又因为声音在空气中传播速度随着环境而改变，马赫所代表的只是一个相对单位，所以”一马赫“的具体速度并不固定。

（超音速飞行产生的激波又叫冲击波）

此外，飞行器一旦以超音速的姿态飞行，机体本身的操纵性能和稳定性随时会发生改变，而测量所得到的马赫数，正是为了应对这种变化而出现的精准表达。

也因此严格意义上来看，马赫能换算成常规的速度单位（一马赫大约为每小时1225千米），但是在专业人士眼里，它又不仅仅是用来表达速度的。

可能有些人还是不解，不就是超过了音速吗，干嘛在表达上非要搞得这么复杂？这就又得说到超过音速这件事，究竟是难还是不难了。

一架飞机以每小时800千米的速度飞行，飞机在后面飞，发动机转动以及机体摩擦气流产生的声音就会跑到前边去。

而一旦飞机以超过音速的速度飞行，机体本身就得追上它自己先前发出的声音，在这个不断追上声音，又不断产生新的声音再追上的过程中，就会因为和空气的剧烈摩擦而产生激波。

激波又叫冲击波或者震波，它在空气中形成的横切面，就横亘在飞行器的前面，由此形成的阻力被称之为音障。说的简单一点，超音速飞行本身也会产生阻力，而且这种阻力就伴随在速度提升的前提上。

打个不恰当的比喻，这就好比交替踩着自己的脚面上天。实际中人难以突破引力上不去，可理论上只要你双******替的速度超过了引力，你就能上天。超音速飞行，也是要突破机体自身产生的音障。

20世纪早期，由于人类对空气动力学了解不多，尝试超音速飞行的飞机，要么由于音障的阻力摩擦解体，要么失控坠毁。

直到1947年10月14日上午，美国才成功进行了超音速试飞。飞行员耶格尔驾驶的X-1飞机达到了每小时1066公里，他也成为了第一个突破音障的人。从此以后，人类掌握了超音速飞行技术。

（第一架超音速飞机X-1在试飞过程中）

所以，超音速飞行，首先要超过的就是音障。只是不知道第一次试飞的时候，地面上的人有没有听到什么可怕的响声。

近些年来，人们经常在网上讨论，某地晴空万里突然响起滚滚炸雷。过去人们不知道那是什么，现如今大家都听过了音爆这个词。

音爆和音障密不可分，简单来理解，一旦飞行器的速度超过了音障临界点，冲击波就会产生像爆炸一样的声音，这便是音爆。这种震耳欲聋的声音能轻易击碎玻璃，甚至能够让建筑物产生裂痕。

（X-1飞机试飞前从母机脱离）

正因为音爆威力巨大，至少在声音上是如此，那些拥有现代先进战机的国家，就常常用飞机的音爆吓唬对手。这一点，以色列军方可谓运用的炉火纯青。

居住在加沙地带的巴勒斯坦人经常抱怨，他们的窗户玻璃时时会破碎，有时候房子都因为巨大的炸雷声而出现了裂痕。这种声音，正是以色列空军的战机，以低空超音速飞行制造出来的。

由于声音巨大且有破坏力，一些国家的反恐部门，甚至想尝试利用音爆吓阻恐怖分子。或者是在解救人质的行动中，利用音爆轰碎他们所在地点的玻璃，便于地面部队行动。

（F-18音爆瞬间，据说摄影师花了5年才捕捉到）

除了杀伤力之外，特定的环境条件下，音爆还能产生一些视觉盛宴，最常见的便是音爆云。因为冲击波的压强会导致温度下降，迅速凝结的水汽就会******在飞机的后方，在音爆产生的瞬间形成一个巨大的光环。

在现实中，音爆多年来困扰的，是民航领域的超音速飞机发展。

实际上在20世纪，头铁的英法以及苏联，曾强忍着音爆的困扰，研发运营过超音速民航客机。

上世纪六十年代，英国和法国联合研制了协和飞机，苏联则研制了图-144飞机。此后，苏联的飞机商业运营到了1978年，协和飞机则运营到了2003年。两款客机退役后，世界上再没有超音速客机了。

（图-144与协和飞机）

各国之所以不再推出超音速的客机，正是因为没有消除音爆的技术。巨大的噪音，在飞机起降的过程中，会严重干扰机场周围的居民。而且，超音速飞行本就需要更大的动力，油耗和高成本成了很多航空公司的痛，尤其和时下低碳环保的理念不相符。

即便有诸多难点，多年来各国依旧没有放弃在技术上的攻克。2018年，洛克希德马丁公司就在研发一款低音爆飞机，据说在飞行速度达到1.42马赫的情况下，飞机产生的声音就像关闭轿车门一样。

（NASA低音爆喷气式客机设计图）

而美联航则在2021年高调宣布，最迟到2029年，公司将重新开启高速航空客运服务。一旦超音速客机重新运营，据说从欧洲飞到北美只需要三个半小时。

届时，大量的富人将会尝试订购小型的超音速私人客机。富人们需要速度，航空公司也能找到新的赢利点。就目前人类拥有的飞行技术而言，发展超音速飞行器，就是最优解。

（波音设想的未来客机，可以达到五倍音速）

当然了，多年来人类也一直在畅想光速或超光速飞行，但方法理论提了很多，还没有一项能落到实处。

2019年，NASA的研究人员大卫·伯恩斯曾发表一项新理论，用近光速粒子加速相对性螺旋引擎，之后就能让航天飞行器接近光速运行。虽然理论听上去不错，但不少科学家支出目前还没有物理定理的支撑。

除了这一理论，霍金在去世前一年提出过激光推进原理，俄罗斯的科学家则在研究利用太阳光实现速度提升。

也有一些研究者，尝试利用核电火箭来完成星际航行。2019年有消息显示，美国一家由前宇航员创办的私人公司，正在研发核动力火箭。据说该火箭可以用一个月的时间飞到火星。

无论是理论还是实践，目前来看实现光速飞行的成果都还没有出现。不过，人类既然能跨越音速这个障碍，光速同样也能跨越。但科研的道路，就是路漫漫其修远兮了。

参考资料：

《不可思议的瞬间：超音速飞机如何实现“音爆”》 解放军报 2016年5月28日

《战机如何突破“音障”》 解放军报 2020年4月17日

《战斗机突破音障的瞬间：绽放诡异的美》 科普中国 2017年8月29日

《“音爆”不解决 民航难以实现超音速飞行》 BBC 2018年7月24日