這，是迪迦奧特曼的力量形態(tài)，根據(jù)官方的檔案，飛行速度是 3 馬赫。

而這，是人類歷史上最快的戰(zhàn)斗機之一，蘇聯(lián)的米格-25，他的 極限速度可以達到 3.2 馬赫。

從數(shù)字上來看，好像飛的已經(jīng)比奧特曼還快了。那么，奧特曼真的已經(jīng)飛不過戰(zhàn)斗機了嗎？今天我們來聊一聊馬赫到底有多快。

馬赫到底有多快

不知道大家有沒有注意到，不論是奧特曼，還是我們更常見的飛機、導(dǎo)彈，每當我們聊到一個在天上飛的東西時候，往往都在用馬赫描述它的速度。

那么，1 馬赫究竟有多快呢？

事實上，這并不是一個具體的數(shù)字，而是當前速度和音速的比值。

如果正好以音速飛行，就是 1 馬赫；如果速度是音速的兩倍，就是 2 馬赫。

但音速不是定值。

我們最熟悉的 340 m/s，是聲音在 15℃、一個標準大氣壓下，在空氣中的傳播速度。 可一旦環(huán)境發(fā)生變化，音速就會跟著變化。

比如在海平面附近，音速是 340m/s，但在空氣更稀薄的平流層，音速可能只有 300m/s 左右。

也就是說，一架 170m/s 的飛機，在海平面速度是 0.5 馬赫，但如果以同樣的速度飛上平流層，就變成 0.56 馬赫了。

所以離開高度和溫度談馬赫，就像離開劑量談毒性一樣，都是耍流氓。

為什么要用馬赫

但講到這里，相信不少差友都會有一個疑問：既然馬赫是一個會變的值，我們?yōu)槭裁催€要用它來描述飛行速度？直接用米每秒、公里每小時這樣的固定單位，不是更直觀嗎？

要搞清楚這個問題，我們首先要知道飛機是怎么飛起來的。

飛機是怎么飛起來的

讓飛機懸浮在空中的，并不是發(fā)動機，而是機翼在空氣中產(chǎn)生的升力。在理想情況下，我們可以把空氣當成是一組連續(xù)、均勻的平行氣流。

飛機向前飛的時候，機翼就會像一把鏟子一樣，“ 撞進 ” 空氣里，把平行的氣流切成兩股，一部分從機翼上方過去，另一部分從機翼下方過去。

此時，機翼上方的空氣會繞過 前緣弧形的輪廓進行一個角度很大的 “ 急轉(zhuǎn)彎 ”。

而要讓空氣一直拐著彎走，就必須有一股向內(nèi)的作用力來拉住它。

這個力并不是憑空產(chǎn)生的，而是來自周圍空氣對它的擠壓。從這里通過的空氣，會跟我們開車高速過彎的時候一樣，受到一個垂直于彎道、方向向外的離心力。

在它的作用下，機翼上方的空氣被 “ 抽走 ” 了一部分壓力，形成了一個穩(wěn)定的低壓區(qū)域。

相比之下，機翼下方的氣流更平緩，運動狀態(tài)改變得沒那么劇烈，壓強也就不會明顯降低。

在機翼兩側(cè)的壓強差下，空氣對機翼形成了一個向上的合力，也就是我們所說的升力。

基于這個理論，我們似乎可以得到一個非常直觀的結(jié)論：只要機翼和空氣的角度在一個范圍內(nèi)，飛得越快、機翼抬起的角度越大，上下表面的壓強差就越大，升力也就越大。

但隨著飛機的極限速度變得越來越快，不少飛行員發(fā)現(xiàn)，當飛機接近極速時，會發(fā)生劇烈的抖動，甚至失控。

1941 年 11 月 5 號，一位名叫拉爾夫·韋爾登的試飛員，正在駕駛 P-38 “ 閃電 ” 戰(zhàn)斗機，進行高速俯沖的極限測試。

但當他準備結(jié)束俯沖狀態(tài)，拉起機頭、恢復(fù)平飛時，卻發(fā)現(xiàn)無論怎么用力，飛機都像是被什么東西按住了一樣，怎么都拉不回來。

最終，飛機失控墜毀，拉爾夫也在事故中不幸遇難。

隨后，負責調(diào)查的工程師約翰·史塔克利用紋影法在風洞中拍下了這起 “ 高空鬼壓床 ” 事故中機翼周圍的氣流狀態(tài)后發(fā)現(xiàn)，這股突然增大的壓力不是機械故障，而是來自于看不見、摸不著的聲音。

聲音如何影響飛機

聲音本質(zhì)上是一種由振動引起的擾動。

而當某個物體在空氣中振動時，它會不斷擠壓周圍的空氣，并把這種壓縮一層層地向外傳遞開去，形成聲波。

在理想情況下，如果聲源是靜止的，那么這種擾動會以聲源為中心，向四周均勻擴散。

看上去就像是一圈一圈向外擴展的同心圓。

但在很長一段時間里，航空工程師在分析飛機氣動問題時，其實把空氣看成了一種不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)。

在這個假設(shè)下，無論聲源怎么移動，聲波都會保持同心圓的形態(tài)。

但這個近似，并不是在任何速度下都成立。

一旦聲源速度大于 0.3 倍音速，由聲音帶來的空氣壓縮與膨脹就無法被 “ 忽略 ” 了。

這時候，飛機發(fā)出的聲波，不再是均勻擴散的同心圓，而是這樣 “ 前窄后寬 ” 的偏心圓。在聲源前進的方向上，波與波之間的距離被壓縮，聲源后方波與波之間的間距則被拉長。

而隨著飛行速度越來越快，圓心移動的幅度越來越大，前方的空氣不斷被壓縮，直到速度正好等于音速時，圓心移動的速度和聲波擴散的速度相同。

這時候，每一個新產(chǎn)生的波，都能夠正好 “ 追上 ” 前一個波。結(jié)果就是，原本互相嵌套，從不相交的聲波，在飛機前進的方向上相切，形成了一道巨大的 “ 空氣墻 ”，也就是我們 經(jīng)常聽說的音障。

馬赫給航空帶來了什么人類如何突破音速

而在拉爾夫那次事故里，雖然飛機還沒到音速，但就像我們前面說的一樣，空氣一旦撞上機翼，為了繞過前緣的弧形輪廓，就必須完成一次伴隨著加速的 “ 急轉(zhuǎn)彎 ”。

這讓機翼前緣和上表面的空氣部分達到了音速，從而撞上了 “ 空氣墻 ”，阻力大大增加。

與此同時，在當氣流穿過 “ 音速區(qū) ” 的邊界時，劇烈的壓強變化還會讓原本和機翼緊密貼合的氣流從表面分離，讓升力急劇下滑。

更糟糕的是，這些被強烈壓縮、又突然失穩(wěn)的高速氣流，并沒有立刻消散，而是被甩向了尾翼。

原本尾翼的作用是用來平衡飛機的，就像蹺蹺板的另一端，用一個向下的力穩(wěn)定飛機的俯仰姿態(tài)。

但現(xiàn)在，這股亂流的加入，讓尾翼上方的空氣流速迅速增加，從而產(chǎn)生了一個向上的升力。

結(jié)果就是，前面的機翼升力下降，抬不起頭，后面的尾翼卻在狂翹屁股。把拉爾夫的飛機直接鎖定在了俯沖姿態(tài)。

最終釀成了事故。

在這一系列事故的教訓(xùn)中，航空工程師們意識到了一件事：影響飛行狀態(tài)的，除了飛得有多快，還有飛得有多接近音速。

于是將馬赫數(shù)引入了航空領(lǐng)域。

馬赫描述的，其實是此時此刻，飛機正在面對什么樣的空氣。這給此后的飛機設(shè)計，帶來了一個非常關(guān)鍵的概念 —— 馬赫極限。

也就是飛機受到音障影響，會出現(xiàn)飛行狀態(tài)劇變的極限。

到達馬赫極限后，飛行速度繼續(xù)提高時，飛機表面的大面積氣流將不可避免地進入跨音速甚至超音速狀態(tài)。

在現(xiàn)代飛機的儀表上，除了速度標，也會有顯示當前的馬赫表來提示飛行員當下的飛行狀態(tài)。

比如，當馬赫表顯示 0.8 時，飛行員立刻就能意識到，繼續(xù)加速就會撞上音障，讓飛行員可以提前做好準備，而不是等到速度 “ 超標 ” 才反應(yīng)過來。

這就是為什么，在航空領(lǐng)域，人們會用隨環(huán)境變化的 “ 馬赫數(shù) ” 來描述速度，而不是公里每小時這種固定單位。

與此同時，音障原理的發(fā)現(xiàn)和馬赫數(shù)概念的引入，也給后來超音速飛機的設(shè)計帶來了不可忽視的影響。

在找到事故原因后，史塔克立刻著手對 P-38 的結(jié)構(gòu)進行了改進，在機翼下方加上了一塊用來引導(dǎo)空氣的襟翼。

只要在高速俯沖的時候展開它，就能改變空氣走向，并增加機翼的升力，就能解決拉爾夫空難中遇到的“沉頭翹屁股”問題。

這些問題，也為真正的超音速飛機設(shè)計提供了靈感。

1947 年，美國空軍上尉查克·耶格爾駕駛由貝爾公司和美國軍方主持研發(fā)的 X-1 實驗機，在 12,800 米的高空以 1.06 馬赫速度突破音障，完成人類首次有記錄的超音速飛行。

在這架飛機上，工程師們充分吸收了之前的經(jīng)驗，將飛機的外形設(shè)計成了和當時少數(shù)被證明能夠在超音速下穩(wěn)定飛行的物體 .50 口徑子彈幾乎一致的形狀，并且把機翼做盡可能的做薄，并抬高尾翼延緩出現(xiàn)激波的時間和對機身的影響。

不過，由于機翼太薄，x-1 在低速下很難獲得足夠的升力，甚至沒法自己起飛，得由另一架飛機帶到高空之后放出去。比起超音速飛機，更像是一個有人操作的導(dǎo)彈。

直到之后的 x5，又吸收了德國同行的設(shè)計，將原來平翼改成了能向后折疊，并能改變角度的可變后掠翼。

這個改動，讓原本幾乎完全正面撞上機翼前緣的空氣產(chǎn)生了分流，大大減少了機翼能感受到的有效迎風速度。

減緩了機翼上表面的氣流加速到音速的時間，讓激波出現(xiàn)更晚，并且能在多種速度下都保持良好的性能。

總的來說

靠著這種設(shè)計，人們成功實現(xiàn)了穩(wěn)定的超音速飛行。正是由于馬赫數(shù)的引入，人類速度的極限才沒有被音障鎖死，而是一步步超越了我們曾經(jīng)認為的極限。

所以回到最開始的問題，雖然奧特曼和戰(zhàn)斗機的速度都在三馬赫左右，但馬赫其實數(shù)描述的，并不是速度本身，而是人類與空氣之間的博弈進度。

當然，雖然紅色迪迦是三個形態(tài)里飛的最慢的，但從飛出大氣層干怪獸的表現(xiàn)來看，還真不一定飛的比戰(zhàn)斗機慢。

至于奧特曼在 3 馬赫時，面對的是哪一層大氣、哪一種空氣狀態(tài)，那可能就得等光之國公布完整的空氣動力學(xué)白皮書了。

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撰文：吉吉

編審：楊子 & 蛋不利多 & 小鑫鑫

視頻制作：迎風 & 上進 & 錘子 & 十一 & 小楊

美編：煥妍

圖片、資料來源：

Aerodynamics | Pressure profile around airfoil

Bell X-1 Glamorous Glennis National AIR AND SPACE Museum

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