
在航空航天科技领域中,”马赫”这一术语被频繁提及。
那么,究竟什么是”马赫”呢?
它具体包含哪些内涵,又遵循怎样的计算方法呢?
此外,飞行器究竟需要达到多少马赫数才能被界定为超音速飞行器呢?
众所周知,传统上飞行器的速度计量单位是公里每小时,但随着科技日新月异的发展,高速飞行技术不断向尖端科技领域迈进。
因此,近年来越来越多的人开始采用一种新的速度计量方式——”马赫数”。
然而,这个”马赫数”的命名依据究竟是什么?
“马赫数”实际上来源于一位科学家的名字,其姓氏为马赫,而”数”则代表”速度”的缩写,这位科学家名叫奥斯卡·马赫。
在1905年,奥斯卡·马赫在研究流体动力学时提出了一个重要概念,即”声速”,这也是我们今天所说的”音速”。
奥斯卡·马赫认为,在流体动力学中,物体在流体中运动的速度与一个特定数值的比值被称为马赫数。
根据这一定义,在流体力学中存在两种常见状态:亚音速状态和超音速状态,那么流动状态又该如何区分呢?
通常情况下,当物体在流体中运动的速度小于声速时,该状态被称为亚音速;反之,当物体运动速度超过声速时,则被称为超音速状态。
当物体所处的状态边界等于声速时,即为临界状态,也就是1马赫。
因此,在弹性流体中,物体运动速度与声速之间的比值被称为马赫数,这种流体在特定条件下呈现两种流态:超音速和亚音速。
为了简化公式,人们约定俗成地将弹性流体中的声速符号定为a,将物体在弹性流体中的运动速度用V表示,由此得出公式:Ma=V/a。
其中,Ma代表弹性流体中物体运动速度与声速的比值,分子V表示弹性流体中的物体运动速度,分母a则表示弹性流体中的声速。
通过这一公式,我们能够计算出弹性流体中物体的运动速度。
在1905年,由于受到奥斯卡·马赫提出的理论影响,美国著名飞行员兼试飞员查尔斯·杨肯斯研制出一种新型飞机,该飞机装配了五台高功率发动机,并于1947年10月14日成功突破了人类历史上的第一个音障,这款飞机被称为”猎鹰1号”。
“猎鹰1号”也成为继”猎鹰”系列飞机后的又一款传奇机型,在此次飞行中,飞机达到的最高马赫数为1.06。
据统计,在此次飞行过程中,由于飞行器突破了音障,产生了强烈的震感。
同时,激波发生偏转还会导致飞行轨迹发生变化,因此后来的飞机设计中,为了减少激波对飞机减震效果的影响,飞机外形设计多采用尖锐的机头、扁平的机翼和机身,以降低激波强度和减小空气阻力。
经过研究人员的不断努力,1950年,我国成功研制出我国首款能够达到1.5音障的高教机——青云1号。
由此可见,人类在超音速飞行领域取得的成就令人瞩目。
那么,1马赫究竟有多快呢?
我们通常使用公里每小时作为计量单位,那么将1.061马赫转换为常用单位后,相当于多少呢?
据悉,查尔斯·杨肯斯驾驶的新型飞机以340米每秒的速度前进。
换算成公里每小时的话,就是1225公里。
这个数字乘以1.061后,得出1216.5公里每小时。
这种速度如果应用于普通民用客运航班,每位旅客都能够在飞机上睡一觉醒来时到达目的地,那该是一种怎样的体验啊?
然而,仔细思考后,我们又会觉得这种效率未必是最理想的。
因为世界上任何事物都存在利弊,速度越快,产生的问题也越多。
通常情况下,民航飞机的最大速度控制在900公里每小时左右,这样既能保证航班出行效率,又能确保安全平稳,不像协和号那样因超音速飞行而造成周围环境的嘈杂。
如今市面上有一种各类用品宣称能够让人在30秒内睡上一觉并醒来后精神焕发,这与协和号差点克服的音爆有些相似。
因为卓越的不仅在于其功能,还在于智能空间设计以及优质环保的选材。
不仅如此,他们还贴心地为每位用户提供两条不同硬度的枕头,让旅客在旅行期间获得更好的身心体验。
那么,刚刚提到的1音障和1.06音障又是什么?
根据不同马赫数下物体所处状态的不同,大气状况也会有所差异。
在1以下我们称之为亚音速,超过1但没有超过2的我们称为超音速,第2至第3的我们称为高超音速,超过3的则称为极超音速。
人类研制出的第一代超音速客机”协和号”,正是能够达到2.02音障的。
那么如何才能知道自己的速度有多快,又相当于多少音障?
我们只需要将乘坐高度下空气温度除以机械能获得最大理论速度再开根号,将得到的值作为除数,将自身实际速度作为被除数进行除法运算,就能得到音障数值。
而要想准确得出这个公式,就需要知道飞机本身存在的一些条件,即最大升力系数、升力、翼展以及载重等因素,这些被称为飞行性能因素。
不同类型、不同用途和不同设计标准的飞机,它们对应的系数也完全不同,因此会影响到整个性能,并带来其他方面的问题。
所以,不同种类的飞机都有不同的设置要求,这些设置还有助于在不同标准下评估飞机性能,同时还可以帮助设计人员了解其他性能,以及分析多个设计方案等。
那么,这些音障数值又有什么影响呢?
主要是对一架飞机来说,其设计时遇到什么样的问题,以及怎样解决这些问题都比较重要,并且要看飞机是否有足够的强度。
同时,还要考虑怎样提高飞行器稳定性控制系统等多方面因素,以达到最佳的设计效果。
一般来说,当Super/(6+0.35)大于50的时候,机头流量动部件还应该进行克服空化,因为出现空化会造成鱼尾效应。
超音速飞行器一般分为若干级,每一级都有对应所适用产品,需要具体情况具体分析,因此不能随意将模型或者设计应用于其他领域。
各种各样性能的飞机都有各自适应标准,无论是低空还是高空,还有高亚音速,高亚音速等都包含其中,其实还有更多确定界限的方法,但最主要就是说出这些气动模型到达临界瞬态化的时候,不同情况需要不同解决方案的方法。