20馬赫有多快?求詳細(xì)解答？
一馬赫也就是一秒鐘飛行340米，20倍音速就是二十馬赫，也就是一秒鐘飛行6800米，一小時(shí)飛行24480000米，等于24480公里，那是只有宇宙航天器才有的速度。
一馬赫速度有多快？換算成千米每小時(shí)是多少？
問題：一馬赫速度有多快？換算成每千米一小時(shí)是多少？
說到馬赫，不得不說到一位叫恩斯特·馬赫的科學(xué)達(dá)人。恩斯特·馬赫是奧地利~捷克物理學(xué)家、心理學(xué)家、哲學(xué)家，所謂馬赫數(shù)、馬赫帶效應(yīng)等物理學(xué)名詞，就是以他的名字命名的。他的研究成果很多，而最重要的成就就是研究物體在氣體中的高速運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了激波，并拍攝下了激波的清晰照片。
恩斯特·馬赫在1887年幾篇論文中指出：在空氣中，物體運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)出以聲速c傳播的球面擾動(dòng)波，當(dāng)物體速度大于c時(shí)，擾動(dòng)波的波前會(huì)形成以物體為頂點(diǎn)的錐形包絡(luò)面，錐面物體與物體運(yùn)動(dòng)方向所形成的角a與v、c的關(guān)系是sina=c/v。
到了1929年，聲速比值v/c在空氣動(dòng)力學(xué)研究里面日益顯現(xiàn)其重要性，德國空氣動(dòng)力學(xué)家J.阿克萊特建議用“馬赫數(shù)”表示這個(gè)比值。從此，馬赫數(shù)成為表征流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)。而以“馬赫”命名的“馬赫錐”、“馬赫角”、“馬赫波”、“馬赫效應(yīng)”等術(shù)語，也在空氣動(dòng)力學(xué)中廣泛得到運(yùn)用，由此可見恩斯特·馬赫在力學(xué)方面歷史性突出貢獻(xiàn)。
所謂馬赫數(shù)，是指速度與音速的比值。聲音傳播是一種機(jī)械波，在不同介質(zhì)和溫度、壓力狀態(tài)下，其傳播速度是不一樣的。表現(xiàn)為介質(zhì)密度越大，溫度越高，傳播速度越快。因此聲音在真空中無法傳播，一般在固體中最快，液體中其次，氣體中最慢。
在常溫下，聲波在空氣中的傳播速度約340m/s，水中傳播速度約1500m/s，銅棒中的傳播速度約3750m/s，鐵中的傳播速度約5200m/s。
馬赫數(shù)常用于在空氣中飛行的物體速度，表達(dá)為馬赫數(shù)M=v/c，這里v代表物體速度，c代表音速。馬赫數(shù)在不同介質(zhì)和溫度壓力下是一個(gè)變量，但在飛行物的衡量中，主要采用在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓15℃條件下的空氣音速，為340m/s，這樣1個(gè)馬赫就是1倍這個(gè)條件下的音速，也就是海平面音速為每小時(shí)1224km。
在習(xí)慣用語中，把馬赫數(shù)小于1稱為亞音速，指比音速慢；馬赫數(shù)大于1，小于或等于5時(shí)，稱為超音速；馬赫數(shù)大于5稱為高超音速。
超音速飛機(jī)的誕生和難點(diǎn)。運(yùn)載火箭和飛船，是以宇宙速度來衡量的，最少需要第一宇宙速度，也就是7.9km/s的速度，才能夠與地球引力抗衡，這個(gè)速度為23.24馬赫，這已經(jīng)不屬于空氣動(dòng)力學(xué)范疇，我們不討論。
在上世紀(jì)40年代前，人類航空速度還較慢，沒有超音速飛機(jī)。最早的超音速飛機(jī)在1947年出現(xiàn)，這一年的10月14日，美國空軍上尉查理斯.耶格爾駕駛一架X-1試驗(yàn)機(jī)，在12800米高空，飛行速度達(dá)到1278km/h，達(dá)到M=1.1015（在高空溫度壓力條件下的馬赫數(shù)），超過了音速，從而開啟了超音速飛行的時(shí)代。
超音速飛機(jī)最關(guān)鍵的技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)和突破音障的問題。在初始的實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)飛行速度接近音速時(shí)，周圍流動(dòng)空氣狀態(tài)會(huì)發(fā)生激波和一些奇怪效應(yīng)，導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)身抖動(dòng)，甚至導(dǎo)致飛機(jī)失控或空中解體，事實(shí)上也有不少飛機(jī)因此失事，人們把這種效應(yīng)叫音障。
后來人們通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼外形，延緩和降低了音障導(dǎo)致的影響。1953年，美國海軍試飛員道格拉斯駕駛一架昵稱“空中火箭”的558-II型試驗(yàn)機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了2馬赫速度飛行，由此說明只要突破M=1的速度，就不會(huì)再有音障存在，由此飛機(jī)的速度越來越快，但迄今為止，超音速主要為戰(zhàn)機(jī)。
民航飛機(jī)也曾經(jīng)有過超音速飛機(jī)，就是前蘇聯(lián)的圖144超音速客機(jī)和英法聯(lián)合研制的協(xié)和式超音速客機(jī)，但由于安全、噪音、制造技術(shù)等原因，運(yùn)行沒多久都停飛了。
現(xiàn)在的超音速飛機(jī)都是戰(zhàn)機(jī)，我們平常偶爾會(huì)聽到“轟”的一聲巨響，震得門窗瑟瑟抖動(dòng)，一些人總以為哪里在開山放炮，其實(shí)不是，這就是戰(zhàn)斗機(jī)訓(xùn)練中突破音障時(shí)產(chǎn)生的震波。
如今人類制造的超音速飛機(jī)有多快？這里不說航天飛行器，只說飛機(jī)。
飛行最快的飛機(jī)記錄依然由美國X-15保持，這架裝備兩臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)飛機(jī)，在1967年10月由美國飛行員威廉·J·奈特少校駕駛飛到10.8萬米高空，飛行速度達(dá)到6.72馬赫，至今沒有任何飛機(jī)能夠突破。
但這架飛機(jī)畢竟只是試驗(yàn)機(jī)，雖然為美國航空航天取得了很多寶貴的數(shù)據(jù)，但畢竟依靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到這個(gè)速度，嚴(yán)格意義上算不上常規(guī)飛機(jī)。
那么曾經(jīng)正式服役過和依然在服役的戰(zhàn)機(jī)有哪些速度最快的呢？簡單列舉如下幾款：
美國SR-71偵察機(jī)，這款已經(jīng)于1998永久退役的偵察機(jī)，速度可達(dá)3.35馬赫，保持著從未被擊落過的記錄；前蘇聯(lián)/俄羅斯系列戰(zhàn)機(jī)米格-25戰(zhàn)機(jī)，時(shí)速可達(dá)3.2馬赫；美國YF-12戰(zhàn)機(jī)，速度可達(dá)3馬赫；米格-31戰(zhàn)機(jī)，速度可達(dá)2.8馬赫；美國F-15E戰(zhàn)機(jī)和我國的J20戰(zhàn)機(jī)，速度可達(dá)2.5馬赫；蘇-27戰(zhàn)機(jī)，速度可達(dá)2.35馬赫；美國F-22戰(zhàn)機(jī)，速度可達(dá)2.25馬赫。
當(dāng)然，飛機(jī)的性能并不單單以速度來衡量，而且以上數(shù)據(jù)也不一定完全和精準(zhǔn)，僅供參考，或有遺漏和錯(cuò)誤，歡迎大家在評論區(qū)補(bǔ)充糾正。
在地球上飛行距離最遠(yuǎn)速度最快的是洲際導(dǎo)彈。目前全世界只有五個(gè)國家能夠制造或主要擁有洲際導(dǎo)彈，即美國、俄羅斯、中國、法國、英國。按照速度排名前三的有，美國民兵3最快，末端速度可以達(dá)到27馬赫；我國的東風(fēng)-41末端速度可以達(dá)到22馬赫；俄羅斯的白楊-M可以達(dá)到22馬赫。
洲際彈道導(dǎo)彈除了速度，發(fā)射射程和打擊精度都決定了導(dǎo)彈的性能。洲際導(dǎo)彈采用的是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，更類似航天飛行器，這里就不多扯了。
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在表述物體的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，除了常用的千米/小時(shí)、米/秒、千米/秒等之外，在國際上有的場景下還會(huì)用到馬赫這個(gè)物理量，特別是在表述飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈的飛行速度時(shí)，這個(gè)詞的出鏡率更高。那么，一馬赫的速度到底有多快呢？
馬赫這個(gè)量綱的由來其實(shí)，馬赫量綱的命名，是根據(jù)創(chuàng)造這個(gè)名詞的科學(xué)家來定義的。馬赫的全名叫恩斯特·馬赫，奧地利物理學(xué)家兼哲學(xué)家，一生共發(fā)表百余篇物理學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)論文，其中在聲學(xué)、力學(xué)和光學(xué)方面更為突出。
他在研究物體在空氣中進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了激波，也就是在物體運(yùn)動(dòng)速度超過音速時(shí)形成的壓縮波，并拍下了關(guān)于激波的清晰照片。隨后，他在研究報(bào)告中，提出了物體運(yùn)動(dòng)超過音速時(shí)，壓縮波會(huì)以物體的前端頂點(diǎn)為界產(chǎn)生一個(gè)圓錐形的包絡(luò)體，包絡(luò)體的斜邊與物體運(yùn)動(dòng)之間的夾角正弦值，與音速和物體運(yùn)動(dòng)速度的比值相一致。
后來，物體的運(yùn)動(dòng)速度與音速的比值，被物理界定義為“馬赫”，以此來紀(jì)念他在空氣動(dòng)力學(xué)方面的突出貢獻(xiàn)。像馬赫效應(yīng)、馬赫波、馬赫角等以“馬赫”為基礎(chǔ)命名的物理現(xiàn)象或者指標(biāo)，都與馬赫本人的貢獻(xiàn)有關(guān)，在以后的空氣動(dòng)力學(xué)研究和實(shí)踐方面都得到了廣泛應(yīng)用。
1馬赫的速度有多快？剛才提到了，馬赫這個(gè)單位，代表的是物體的運(yùn)動(dòng)速度與音速的比值，而我們知道在常溫常壓下，聲波在空氣中的傳播速度為340米/秒，那么1馬赫代表的速度也就是這個(gè)數(shù)值。
但是，和其它類型的波一樣，聲波的傳播也需要媒介，在不同的介質(zhì)下其傳播速度是不一樣的，比如在水中的傳播速度就比空氣中的高出將近4倍，而在金屬中的傳播速度會(huì)更快。即使是在空氣中，不同的溫度、壓力之下，空氣的密度也會(huì)不同，那么聲波的傳播速度也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)溫度提高、壓力變大時(shí)，聲波傳播速度就會(huì)越快，而在高海拔地區(qū)，聲音的傳播則相對較慢。
為了在實(shí)際研究和應(yīng)用中方便計(jì)算，人們對馬赫數(shù)的使用環(huán)境進(jìn)行了明確，那就是在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、15攝氏度的常溫常壓條件，即以此時(shí)的聲音傳播速度340米/秒來代表1個(gè)馬赫數(shù)。
在研究飛行器運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，人們通常將低于1個(gè)馬赫的速度稱為亞音速，實(shí)際上的掌握區(qū)間范圍是0.6-0.8倍音速以下的速度，這個(gè)時(shí)候，流經(jīng)飛行器表面任意一點(diǎn)的氣流速度，都會(huì)小于以該點(diǎn)為源頭的音速。同時(shí)，將大于1馬赫、小于5馬赫的速度，稱為超音速；而將大于5馬赫的速度，稱為高超音速，達(dá)到這個(gè)速度后，飛行器表面流經(jīng)的氣流，會(huì)與物體前端產(chǎn)生弓形的離體激波，形成非常高的溫度，推動(dòng)前端空氣分解甚至電離。
安全突破音障是實(shí)現(xiàn)高超音速飛行的關(guān)鍵當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到音速以后，那么在物體前方空氣中傳播的聲波縱波，將無法脫離物體表面，會(huì)一直“聚積”在物體的前端，這樣物體前方的空氣將會(huì)出現(xiàn)近似理想氣體的無限壓縮，理論上所產(chǎn)生的音調(diào)就會(huì)無限高，形成音障。在理想氣體狀態(tài)下，這個(gè)音障就相當(dāng)于密度無限大的“墻”，飛行器撞上這個(gè)墻將直接碎解。
不過，現(xiàn)實(shí)中并沒有理想氣體，而且空氣還是具有很強(qiáng)流動(dòng)性的流體，所以當(dāng)飛行器達(dá)到音速時(shí)，周圍的壓縮空氣將形成激波，把飛行器壓縮前方空氣所具有的能量，向四面八方傳遞出去，這個(gè)能量釋放的程度是相當(dāng)強(qiáng)烈的。
一旦飛行器的速度接近音速，或者突破這個(gè)音障，所釋放的能量，傳遞到我們的耳朵里，就會(huì)感受到短暫且強(qiáng)烈的爆破聲，這就是音爆?？諝鈮嚎s釋放的能量，主要集中在飛行路線的圓錐體范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)將不僅對飛行器之外的物體、人類和其它生物造成傷害，而且對飛行器本身也會(huì)造成損傷，所以，如果飛行器要想實(shí)現(xiàn)超音速或者高超音速飛行，如何保障安全性是最核心和最關(guān)鍵的問題。
實(shí)現(xiàn)高超音速飛行，既需要在飛行器設(shè)計(jì)時(shí)對激波形狀進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保飛行器關(guān)鍵部件處于圓錐體之內(nèi)，也需要對飛行器材料、發(fā)動(dòng)機(jī)以及機(jī)體外形進(jìn)行優(yōu)化和強(qiáng)化，另外，也需要飛行器、飛行員做好突破音障的準(zhǔn)備，因?yàn)檫@個(gè)過程中飛行器的運(yùn)動(dòng)特性和規(guī)律也會(huì)發(fā)生很大的改變。鑒于飛行的安全保障，超音速以上的飛行器（這里指飛機(jī)），通常都是執(zhí)行特殊任務(wù)的戰(zhàn)斗機(jī)，民航客機(jī)則沒有必要冒這個(gè)險(xiǎn)。
目前全世界飛行速度最快的飛機(jī)，為美國航空航天局研制的X-43A極速飛機(jī)，速度能達(dá)到8.6倍音速。緊隨其后的是北美航空研制的火箭動(dòng)力飛機(jī)X-15，速度約為6倍音速。我國最快的飛機(jī)為殲-20，速度為2.8馬赫。
為什么戰(zhàn)斗機(jī)都以馬赫數(shù)來代表速度？前面提到了，聲音在空氣中的傳播速度，并不是一個(gè)固定值，而是會(huì)隨著溫度、氣壓的變化而改變，特別是對于經(jīng)常高空飛行的戰(zhàn)斗機(jī)來說，如果在10000米高空飛行，聲音的傳播速度將會(huì)降至300米/秒，這樣的話，如果用米/秒、英里/小時(shí)這樣的單位，那么就不能及時(shí)反映出和當(dāng)時(shí)狀況下音速的關(guān)系，所以戰(zhàn)斗機(jī)都配置有一個(gè)“馬赫”表。
飛行員通過這個(gè)專門的表，就會(huì)隨時(shí)掌握飛機(jī)所對應(yīng)的速度，與即時(shí)音速的匹配性，從而迅速做出突破音速的各種準(zhǔn)備，從而提高飛行的安全性，也能為高質(zhì)量完成飛行任務(wù)提供基礎(chǔ)保障。
