上周,清华大学AMiner团队联合智谱AI发布《全球高超音速技术发展报告2022》,主要呈现高超音速领域的技术及应用发展的全球现状,并展望该技术的前景。很多人分不清高超音速和超高音速的区别。实际上,如果不是军事迷,普通人连亚音速和超音速的区别,也不是很清楚。
音速每秒多少米
音速也叫声速,即声音在介质中传播的速度。它和介质中的微弱压强扰动有关。例如用棰击鼓引起鼓膜振动,鼓膜周围的空气受到鼓膜振动的影响,其密度和压力就发生了变化,即产生压强扰动,随后这种扰动向四面八方传播,当扰动传入人的耳朵时,人就听到了击鼓的声音。
由于声音可以在固体、液体或气体介质中传播,介质密度愈大音速愈快,所以根据介质不同,音速也有很大的差异,例如音速会根据空气的湿度、温度、密度不同而有不同数值。在0℃的海平面上,音速约为331.5米/秒。在1万米高空,音速约为295米/秒。在真空里面,因为不具备传播条件,所以音速为零。一般而言,空气中,音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340米/秒。每升高1℃,音速就增加0.607米/秒。
飞行器当时的飞行速度与当时音速的比值被称为马赫数。在音速为340米/秒的情况下,马赫数1即1倍音速(1马赫),大于1表示比音速快,小于1表示比音速慢。
亚音速和超音速
亚音速,顾名思义,是指飞行器速度低于声音的传播速度(小于340米/秒),不到1马赫,在0.4~0.75马赫之间。而超音速则是指飞行器速度突破了音速,在1.3~5.0马赫之间。
飞行器要想突破音速,并不仅仅是增加发动机推力就行了。在飞行速度达到音速的十分之九(0.9马赫)时,局部气流的速度可能就达到音速,产生局部激波。这些激波使气动阻力剧增,使得流经机翼和机身表面的气流变得非常紊乱,从而使飞行器剧烈抖动,这种现象就是所谓的“音障”现象。这一现象使操纵十分困难,极可能导致飞行器坠毁。我国在研制歼-8时,西方就进行了相关的技术封锁。最终由当时的歼-8总设计师、现国家最高科学技术奖获得者顾诵芬院士冒着生命危险反复观察试验而得到突破。
需要说明的是,尽管超音速飞行问题已被突破,但亚音速飞行因具有省油、噪声小及对飞行器结构强度要求小等特点,在民航客机飞行中仍被普遍采用。
高超音速与超高音速
高超音速,亦称高超声速、极音速,通常是指大于5倍音速(5马赫)的速度。高超音速飞行是未来航空航天领域的制高点,具有极高的战略性和前瞻性,也是大国之间博弈的重要工具。
例如,在航空航天方面,卫星若要保持在轨道上运行,必须保持7.9千米/秒的第一宇宙速度,该速度大致是地面音速的23倍。在军事方面,高超音速武器因其航程远、速度快、结构简单、性能卓越,能够快速打击远程目标,被军事专家称为继螺旋桨、喷气推进器之后航空史上的第三次革命性成果。高超音速武器主要包括高超音速制导炮弹、侦察机、巡航导弹、钻地弹、轰炸机等。其中洲际弹道导弹的弹头再入大气层时的飞行速度超过20倍音速。当然,要跟上20倍音速飞行的目标,拦截弹也需要大于或接近这一速度。
至于超高音速,有人将其定义为大于20马赫,但科学界很少采用这种说法。(本报综合)