马赫数是用来表示物体运动速度与音速之比的一个重要参数。
在标准大气压下、15摄氏度时,音速在空气中的传播速度被定为基准,即340米每秒。20马赫的速度即相当于每秒6800米的速度。
当一个物体的运动速度超越了音速,也就是其马赫数超过1,那么它便踏入了超音速的领域。
音速并非一成不变,它会受到介质密度、温度、压强等多种因素的影响,有时还与声波本身的特性如振幅、频率相关联。这意味着,不同情况下马赫数所代表的速度会有所变化。
声波是能量振动的扩散形式,依赖分子间的相互作用实现传播。介质密度大时,声波传播速度会更快,如在液态水中的传播速度可达1500米每秒。在不均匀介质中,音速则各不相同。声波的传播需要介质,在真空中运动的物体则不适用马赫数的概念。
在低空与高空中,同样的马赫数值所代表的实际速度将大相径庭。例如,在海拔1万米的高空中,平流层下部的空气稀薄,音速降低至约295米每秒,与地面上的标准音速相比有了明显差异。
在实际操作中,若要在低空平飞,飞行器的速度很难突破5马赫。这是因为空气阻力随飞行器速度的平方而增加,速度越快,所承受的阻力也越大,并呈指数级增长。
相比之下,在万米高空由于空气稀薄阻力减小,若配备性能卓越的超燃冲压发动机,速度轻松超越5马赫甚至达到20马赫是可行的。若要追求更高速度,则需要使用火箭发动机。
虽然6.8千米每秒的速度在大气层内算是相当快,但在太空中却显得微不足道。这一速度远未达到第一宇宙速度(环绕速度7.9千米每秒),更不用说飞出银河系了。
撇开其他因素不谈,仅从速度角度出发,以6.8千米每秒的速度飞行器要飞出银河系的可能性极小。银河系的直径(包括银晕)大约在10至20万光年之间,太阳系距离银河系中心约2.6万光年。若以这样的速度出发,理论上需要约10亿年才能飞出银河系。
银河系是一个旋涡星系,呈飞碟状窄面观之。位于中心的银核较厚实,而银盘则相对薄些。我们身处银盘之上。银盘平均厚度约2000光年,而太阳系附近的银盘厚度约为5000光年。
若飞行器以6.8千米每秒的速度垂直于银盘起飞,即使能飞出银河系的银盘进入银晕,也需要漫长的时间等待。而要脱离银河系的引力束缚并进入宇宙深空,所需的速度远超此值。
太阳与太阳系的行星们共同绕着银河系中心以200多公里的速度进行高速公转。若要使飞行器摆脱银河系的引力束缚并进入深空,其速度必须达到每秒数百公里的第四宇宙速度。然而银河系的质量仍未完全探明,因此第四宇宙速度的具体数值也尚未确定。