超音速飞行的速度有多快？为什么会产生音爆？

超音速飞行意味着要突破空中看不见的一道门槛。以比声波传播速度更快的速度在空中飞行意味着要超越特定的空速，但确切的空速会有所不同。在火星上，声速与地球上的声速不同。而在地球上，声速会根据飞机所穿越的空气温度而变化。

1947 年，查克·耶格尔打破了所谓的音障，一举成名。但今天，如果军用喷气式飞机上的一个人以超音速飞行，至少从机上乘客的角度来看，这并不是什么重大的、甚至难以察觉的时刻。“伙计，在飞机上你什么都感觉不到，”位于加利福尼亚州爱德华兹空军基地的美国空军试飞员学校的飞行测试工程师杰西卡·彼得森说。地面上的人可能会持不同意见，这取决于他们与飞机的距离。

以下是有关超音速飞行的知识，自从 2003 年协和式飞机停止飞行以来，平民一直无法乘坐飞机体验超音速飞行。

水波荡漾，空气中激起波澜

美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心的航空工程师爱德华·哈林 (Edward Haering) 自 1990 年代以来一直在研究音爆，他说，超音速飞行意味着巡航速度“快于声波传播的速度”。

思考这个问题的一种方式是想象水中的一艘船。“如果你坐在一艘划艇上，停在湖面上，一动不动，可能会有一些涟漪出现，但你的速度不会超过涟漪的速度，”他说。“但如果你坐在一艘摩托艇或帆船上，你会开始看到船头出现 V 形尾流，因为你的速度超过了那些涟漪能避开的速度。”这就像一架飞机以比音速更快的速度飞行。

但他补充说，超音速飞机可以在三维空间中穿过这些波纹。“你要穿过这些扰动形成的锥形区域，”他说。

空气的温度决定了声波在其中传播的速度。在地球大气层约 36,000 英尺至 65,600 英尺的区域，温度足够稳定，因此理论上声速保持不变。在该地区，在典型的一天中，声速约为每小时 660 英里。这也被称为 1 马赫。2 马赫，即两倍的声速，在该高度范围内约为每小时 1,320 英里。然而，由于现实世界的一天可能与标准时间不同，当您尝试超音速飞行时的实际速度可能会有所不同。

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如果你想在低空以超音速飞行，在较暖的空气中，音速会更快。NASA 表示，在 10,000 英尺的高度，超音速飞行的速度从每小时 735 英里开始。不过，以这样的速度飞行需要做更多的工作才能穿过较厚的空气。

载入史册：首次超音速飞行

1947 年 10 月 14 日，查克·耶格尔成为有记录以来首位超音速飞行的人。他在自传《耶格尔》中回忆道，那天秋天，他以 0.96 马赫的速度在 42,000 英尺的高空飞行。“我注意到，我飞得越快，飞行就越平稳，”他写道。

“突然间，马赫数指针开始波动。它上升到 0.965 马赫——然后就直接超出了刻度，”他回忆道。“我以为我看错了！我们的飞行速度是超音速！”他后来才知道，当时的速度是每小时 700 英里，也就是 1.07 马赫。

耶格尔从下方通过无线电写道，“追踪车上的人员打断报告说，他们听到了类似远处雷声的声音：我的音爆！”

为什么我们再也听不到音爆了？

超音速飞行会给下方的人们带来巨大的音爆。这就是为什么美国联邦航空管理局禁止在美国上空和海岸附近进行超音速民用飞行的原因。正如 NASA 指出的那样，这项禁令将于 2023 年 4 月正式生效 50 年，在这项禁令颁布之前，人们不喜欢听到音爆是可以理解的。NASA 表示，在 20 世纪 50 年代和 60 年代，“亚特兰大、芝加哥、达拉斯、丹佛、洛杉矶和明尼阿波利斯等地的人们都受到了高空飞行的军用战斗机和轰炸机发出的音爆的影响。” 1968 年，科罗拉多州空军学院发生的一起事件尤其具有破坏性。NASA 报告称，事件发生在 5 月 31 日，当时“一架战斗机在校园上空 50 英尺处突破了音障。”“音爆炸碎了标志性空军教堂侧面的 200 扇窗户，造成十几人受伤。”

音爆是由飞机不同部位产生的冲击波引起的。例如，战斗机的座舱盖或发动机进气口都会产生音爆。问题出在各种冲击波的结合方式上，它们会合并成两股。“当它们结合在一起时，压力就会越来越大，”哈林说。它们结合的方式是，一股冲击波来自飞机前部，另一股来自后部。地面上的人们会听到“砰、砰”的声音，哈林说。

有趣的是，在这种情况下，飞机的长度很重要，它会影响两次轰鸣之间的时间间隔。例如，航天飞机的长度超过 100 英尺。在这种情况下，人们会注意到“轰……轰”，哈林说。“如果飞机很短，就会听到轰隆轰隆的声音。如果轰隆轰隆的声音真的很短，而且距离很远，有时两次轰隆轰隆之间的时间间隔非常短，你无法真正分辨出这是两次不同的轰隆轰隆声，所以你只能听到轰隆轰隆的声音。”

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为了解决这些悬臂问题，NASA 与洛克希德·马丁公司合作开发了一架名为 X-59 的新型实验飞机。其目标是以超音速飞行，但比典型的超音速飞机更安静。值得注意的是，飞行员不再依靠座舱盖观察前方的景象，而是依靠外部视觉系统——一个位于内部的监视器，显示飞机前方的情况。NASA 表示，该设计的测试已于 2021 年结束，这有助于保持飞机的流畅。最终目标是通过其设计来控制飞机产生的任何冲击波。“在 X-59 上，从机头到机尾后部，一切都经过精心设计，以尽量将这些冲击波分开，”Haering 说。

美国宇航局表示，他们计划今年试飞，目的是看看它发出的噪音有多大，以及人们对其声音特征的反应。哈林推测，X-59 发出的噪音“很像街对面邻居关车门的声音”。“如果你正在交谈，你可能甚至不会注意到它。”但实际飞行将是对这一假设的检验。

X-59 的目标是以 1.4 马赫的速度飞行，飞行高度约为 55,000 英尺。换算成英里每小时，这个速度是 924 英里每小时。然后想象一下飞机有顺风，它的地速可能会超过 1,000 英里每小时。（请注意，大气中的风会影响飞机的地速——飞机相对于地面的移动速度。顺风会使它更快，逆风会使它更慢。）

超音速走廊

在加利福尼亚州爱德华兹空军基地，超音速走廊允许飞行员在一定高度以上以 1 马赫或更快的速度飞行。在一条走廊中，飞机必须在 30,000 英尺或更高高度飞行。在另一条走廊，即黑山超音速走廊中，飞机可以低至 500 英尺。请记住，超音速飞行在低空的速度会比在高空的速度更高，而且需要付出更多努力才能穿过密度更大的空气。

美国空军试飞员学校的飞行测试工程师彼得森说：“从飞行测试的角度来看 - 这就是我们在爱德华兹公司所做的事情，我们专注于测试新型飞机、测试新系统 - 我们经常进行超音速飞行。”

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由于超音速走廊位于基地上方，因此，尽管飞机必须飞到 30,000 英尺以上，但音爆声仍可从基地传出。“我们可以向基地发射音爆声，而且我们一直都能听到，”她补充道。

她指出，在最近一次驾驶 T-38 的飞行中，当她在 32,000 英尺的高度突破音障时，飞机的地速为 665 英里每小时。但在 14,000 英尺的高度，她的地速达到 734 英里每小时，达到超音速。

但在测试场景中以超音速飞行与出于作战原因以超音速飞行是有区别的。美国空军试飞员学校的飞行员兼教员科里·弗洛伦多 (Corey Florendo) 指出，在实际任务中，他“只会在需要时才这样做”。

“当我以超音速飞行时，我会消耗大量气体，”他补充道。

因此，在某些情况下，当军方愿意燃烧燃料时，超音速飞行仍可供军方使用，但普通旅客则不行。例如，波音 787 的设计巡航速度为音速的 85%。然而，一家名为 Boom Supersonic 的公司计划将这种飞行方式重新用于商业旅行；他们的飞机被称为 Overture，可能会在 2027 年进行试飞。你可能不想屏住呼吸。

普渡大学航空航天学院副教授乔·杰威尔认为，超音速飞行仍然具有“神秘感”。

“这仍然是一件罕见而特殊的事情，因为我们统称为音障的挑战仍然存在，从物理上讲，”Jewell 说。飞机在空中飞行时，压力波仍然会在飞机前方累积。“它仍然存在，就像 1947 年一样，我们现在知道如何应对它了。”

在下面的视频中，观看 F-16 超越 T-38；两架飞机都以超音速飞行，细微的摇摆运动是冲击波与飞机相互作用的唯一迹象。由杰西卡·彼得森和美国空军试飞员学校提供。