我们发现，飞机在低空、低速飞行时，通常用“节”描述速度；而在高空、高速飞行时，又会用“马赫数”衡量速度。

其实马赫数不是速度，而是气流速度与当地声速的比值，用来表征流场压缩性大小。马赫数越大，气体压缩性越大。

马赫数很重要，它反映了飞机当前运动的特性，对飞行安全、机翼改进、结构设计都有重要意义。

1、音速。

声音是一种机械波，音速就是声波在某种介质中的传输速度。在1标准大气压、温度15℃下，声音在空气中的传播速度为340米/秒。

但大气层不是一个上下均匀的整体，它有对流层、平流层、中间层等不同环境。

在对流层中，随高度升高，大气密度、温度相应降低。海拔每升高100米，气温平均下降0.65℃。到1万米高空时，温度已下降到零下50℃左右。

再往上到35～40 千米的平流层中下区域，气温几乎不随高度变化，基本保持在零下45℃左右，所以也叫“同温层”。

在空气介质中，音速的变化与温度密切相关。温度越高，空气分子越活跃，声音传播速度越快；反之，温度越低音速越慢。

因此，飞机以相同速度在不同环境中飞行，得到的马赫数却不相同。比如飞机以340米/秒在温度15℃的海平面上飞行，马赫数为1；在1万米高空仍以340米/秒飞行，马赫数却变成了1.14左右。

在高空飞行时，就算飞机空速表指示空速不变，也会因高度增加音速减小，而不知不觉的超过临界马赫数，从而影响飞行安全。用“马赫数”衡量速度，能让飞行员快速清晰的了解飞行状态，提高安全性。

2、马赫数的作用。

音速是大气中运动物体的速度标杆。飞机在空气中飞行时，机身不断扰动空气形成声波，并以音速向四周传播。

飞机速度<0.3 Ma时，气体密度变化很小，对飞行影响很小；

0.3

0.8

Ma>1时为超音速，Ma>5时为高超音速，会产生强激波、高温、振动激励，并伴随化学反应和辐射。

不同速度下的声波变化

可以看出，1马赫是个重要节点，在此节点前后很多事情会发生变化。

当飞机速度超过音速时，飞机会追上自己产生的声波振动，声波来不及向前传播，就堆积在前方形成一堵“空气墙”，压力越来越大形成激波。

激波造成巨大阻力，飞机变得很不稳定，头重尾轻，剧烈振动，升力骤降，燃料消耗也大大增加。

二战后期，很多优秀飞行员在这上面吃了大亏。当时的飞机动力增加很快，达到2000~2500马力，飞机速度开始接近音速。当飞机俯冲时会瞬间超过音速，进入“音障”，飞机突然失去控制，甚至空中解体。

3、机翼设计。

不光俯冲时超音速，机翼上表面气流也会先于飞机进入超音速。

按照伯努利原理，从机翼上表面流过的气流速度会加快。当飞机接近音速时，机翼上表面气流就已经超音速了，此飞行马赫数被称为临界马赫数。

▲临界马赫数

此时飞机局部超音速，激波阻力大增，机翼下沉、机头下栽，难以控制。为了推迟机翼上表面气流超音速，提高临界马赫数，人们对机翼进行了很多改良，产生了很多新翼型。

二战时的飞机大多是平直机翼，升力大，结构简单，控制方便，但不适合高速飞行。它与空气来流垂直，上表面空气流速很快。

工程师将机翼向后斜置，使其与机身轴线形成一个后掠角。这样机翼就不与来流垂直了，来流速度被分解为垂直机翼前缘的法向速度和平行于机翼的速度。法向速度分量小于音速，就能推迟激波产生，减小阻力。

后掠翼很快在大部分机型上使用，但它的缺点也很多。后来又陆续发展了三角翼、双三角翼、变后掠翼、梯形翼、鸭翼等，使飞机在高速飞行时仍有优秀气动性能。

对大型飞机和运输机来说，三角翼不太合适，1967年，美国航空科学家惠特科姆提出了超临界翼型。和风漫谈原创，禁止抄袭。

这种翼型前缘钝圆，上表面平坦，下表面后缘处反凹，后缘较薄向下弯曲，能有效减小附面层分离，延缓激波产生，提高临界马赫数，在大型运输机、客机上使用效果很好。

普通机翼与超临界机翼

综上，飞机在跨越音速时会产生各种复杂的物理现象，对飞行影响很大。用马赫数衡量飞机高速运动特性，对飞行安全、控制、飞机设计都有重要意义，是不可缺少的指标参数。

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