马赫是表示速度的量词。马赫数是当时飞行环境中飞行速度与音速的比值。大于1表示比声速快。同样,小于1表示比声速慢。
这个问题的核心不是马赫是什么。在于为什么战斗机会选择马赫数作为其飞行速度的指标。
我们知道的是,1马赫=1倍音速。但大多数人不知道的是,声速是可变的。
先说声波和声速,有助于理解这个问题。
物体在空空气中振动时,会带动空空气振动,这就是空空气中的声波。空气体的振动其实很有趣,因为空气体是一种可压缩物质,所以振动时会被压缩和倍增——所以声波在传播过程中是以纵波模式传播的。
那么如果这个振动源在空空气中移动会发生什么呢?很多人认为会有多普勒效应,接近时音高增大,远离时音高减小。
然后还有一个很有意思的特例。如果一个在空空气中运动的物体以音速运行,那么在该物体前面的空空气中传播的纵波就不能传播,而会一直在该物体前面积累。所以空 Qi在物体前面会被无限压缩,物体前面的音高会无限增大。这时,一个叫做声屏障的概念就产生了。
如果是理想气体,声屏障就是密度无限大的墙,飞机撞上就会直接破开。但是,世界上没有理想气体,而空气体仍然是一种流体,所以空气体会形成冲击波,将飞行物体前方压缩的空气体的能量传递到运动方向的外围。
一旦压缩空气体的能量在周围释放,物体就达到音速,突破音障。
突破音障会引起大量能量释放——音爆。这种能量集中在飞机飞行轨迹的一个锥角上,危害很大。这种伤害不仅对飞机外的人或物有害,对飞机本身也是有害的。所以音爆冲击波的形状在任何能超过音速的飞机的设计过程中都是优化的,以至于飞机上的部件都在这个圆锥体里。
而且,突破音障的过程也是一个需要飞行员和飞机做好准备的过程,因为突破音障后压力释放很快,飞机的运动特性会发生很大的变化。
但是问题来了。我们刚才提到,声速是可变的,与气压和温度密切相关。不同海拔的声速是不一样的。我们通常说,340 m/s的声速是海平面以上25度的声速。如果高度增加到10000m,声速可能会降低到300 m/s以下,如果以km/h或nm/h的固定速度表示,那么飞行员不知道他是在哪个速度节点达到声速的,也无法做好穿越音障的准备。