3馬赫的奧特曼，比3.2馬赫的戰斗機飛得更快？

這，是迪迦奧特曼的力量形態，根據官方的檔案，飛行速度是 3 馬赫。

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

從數字上來看，好像飛的已經比奧特曼還快了。那么，奧特曼真的已經飛不過戰斗機了嗎？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。 可一旦環境發生變化，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，我們為什么還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，并不是發動機，而是機翼在空氣中產生的升力。在理想情況下，我們可以把空氣當成是一組連續、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 “ 急轉彎 ”。

而要讓空氣一直拐著彎走，就必須有一股向內的作用力來拉住它。

這個力并不是憑空產生的，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，形成了一個穩定的低壓區域。

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

在機翼兩側的壓強差下，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論：只要機翼和空氣的角度在一個范圍內，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，不少飛行員發現，當飛機接近極速時，會發生劇烈的抖動，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 ” 戰斗機，進行高速俯沖的極限測試。

但當他準備結束俯沖狀態，拉起機頭、恢復平飛時，卻發現無論怎么用力，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后發現，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介質。

在這個假設下，無論聲源怎么移動，聲波都會保持同心圓的形態。

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，每一個新產生的波，都能夠正好 “ 追上 ” 前一個波。結果就是，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 ” 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，用一個向下的力穩定飛機的俯仰姿態。

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

結果就是，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。

最終釀成了事故。

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

于是將馬赫數引入了航空領域。

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

也就是飛機受到音障影響，會出現飛行狀態劇變的極限。

到達馬赫極限后，飛行速度繼續提高時，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。

在現代飛機的儀表上，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。

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

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

與此同時，音障原理的發現和馬赫數概念的引入，也給后來超音速飛機的設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 的結構進行了改進，在機翼下方加上了一塊用來引導空氣的襟翼。

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驗，將飛機的外形設計成了和當時少數被證明能夠在超音速下穩定飛行的物體 .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彈。

直到之后的 x5，又吸收了德國同行的設計，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

靠著這種設計，人們成功實現了穩定的超音速飛行。正是由于馬赫數的引入，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認為的極限。

所以回到最開始的問題，雖然奧特曼和戰斗機的速度都在三馬赫左右，但馬赫其實數描述的，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里飛的最慢的，但從飛出大氣層干怪獸的表現來看，還真不一定飛的比戰斗機慢。

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，那可能就得等光之國公布完整的空氣動力學白皮書了。

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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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