马赫作为一个衡量速度的单位,指的是物体的运动速率与特定介质中声波传播速度的比率。
通常情况下,我们以标准大气压条件下、温度为15摄氏度时,声音在空气介质中传播的速度值340米每秒作为参照基准。基于这一标准,当物体的运动速度达到20马赫时,其具体速度相当于6800米每秒。
一旦物体的运动速率超越了音速,即马赫数大于1,那么该物体便进入了超音速状态。
需要明确的是,音速并非一个恒定不变的数值,它受到介质物理特性的显著影响,包括介质的密度、温度以及压强等因素。在某些特定情况下,音速还会受到声波自身属性(例如振幅或频率)的制约。因此,马赫数所代表的速度并非一个固定值。
声波本质上是一种振动能量的传播形式,其传递依赖于分子间的相互作用力。一般来说,声音在密度较大的介质中传播速度更快,例如在液态水中,声波的传播速度可达到1500米每秒,而在空气密度较高的低空区域,声速大约为340米每秒。此外,在非均匀介质中,音速会在不同位置呈现出差异。值得注意的是,声音的传播必须依赖介质的存在,因此在真空中运动的物体并不适用于马赫数的衡量标准。
由此可见,低空环境中的20马赫与高空环境中的20马赫,两者之间存在着本质的区别。
具体来说,在海拔1万米的高空区域,该处属于平流层下部,空气密度相对较低,音速仅为295米每秒。即便同为20马赫的速度,在1万米高空中的实际马赫数与标准音速下的马赫数相比,两者之间存在着900米每秒的速度差异。
事实上,如果仅考虑低空平飞的情况,飞行器的速度很难超过5马赫。这是因为空气阻力与飞行器运动速度的平方成正比关系,速度越快,飞行器所承受的空气阻力也越大,并且这种阻力会随着速度的增加呈现指数级增长。
相反,如果在万米高空飞行,由于空气稀薄,阻力较小,若采用性能卓越的超燃冲压发动机,那么飞行速度超过5马赫将变得相对容易,甚至可以达到20马赫的最大速度。如果追求更高的速度,那么只能依赖火箭发动机了。
6.8千米每秒的速度在大气层内确实非常快,但在太空中仍然显得微不足道,甚至未能达到第一宇宙速度(环绕速度,7.9千米每秒)。这样的速度根本无法摆脱地球或太阳的引力束缚,更不用说飞出银河系了。
如果不考虑其他因素,仅从速度角度出发,以6.8千米每秒的速度,一艘飞行器需要多长时间才能飞出银河系呢?
坦率地说,银河系究竟有多大,科学家们至今尚未给出确切的答案,其直径(包含银晕)大约在10~20万光年之间。
太阳系距离银河系中心大约2.6万光年,如果以5万光年的半径来估算,从地球出发,以6.8千米每秒的速度飞行,大约需要10亿年的时间才能飞出银河系。
银河系是一个旋涡状星系,从侧面观察呈飞碟形态,中央的银核部分相对较厚,而银盘则较为薄,我们所在的太阳系位于银盘之上。银盘的平均厚度约为2000光年,而在太阳系附近的银盘厚度约为5000光年。
如果飞行器以6.8千米每秒的速度垂直于银盘方向,从太阳系的位置起飞,飞出银河系的银盘进入银晕区域,同样需要大约1.1亿年的时间。
太阳正带着太阳系的八颗行星,以超过200公里的速度绕着银河系中心公转。如果飞行器从太阳绕银心的公转轨道出发,想要摆脱银河系的引力束缚,其速度必须达到每秒数百公里,即所谓的第四宇宙速度。然而,银河系的质量究竟有多大,科学家们尚未完全明确,因此第四宇宙速度的具体数值也没有定论。