尽管只有少数人曾有机会亲身经历超音速飞行，但这种飞行方式一直以来都具有强烈的吸引力和令人印象深刻的技术挑战。虽然绝大多数人已经在亚音速的商用客机上体验过飞行，但要实现超音速飞行却需要克服一系列独特的科学和工程问题。在过去的半个多世纪中，飞越音速壁垒的愿望始终伴随着浓厚的历史情感，那是从有着第一架能够突破音障的飞机开始的。
在这里，我们将深入探讨超音速飞行的概念以及实现这一目标所涉及的原理。
超音速飞行的概念
首先，了解什么是超音速飞行非常重要。超音速飞行是指飞机以超过音速飞行。音速是声波在空气中传播的速度，通常在760英里/小时左右。因此，当飞机的速度超过这个值时，它就被认为是超音速的。飞机飞行速度与飞机所处的环境、条件和高度有关，这些都是需要考虑的因素。
与亚音速飞行和超音速飞行不同，高超音速飞行是指速度更快的飞行，通常需要飞机飞行时以超过马赫5的速度穿越大气层。这意味着高超音速飞行需要飞机飞行速度超过每小时3000英里。在开发高超音速飞行器时，需要考虑的问题远多于一般飞行，因为它们在高速飞行中会产生极端的热量。
基本飞行物理学
要理解超音速飞行，首先需要了解亚音速飞行的基本原理。飞行物理学涉及四种主要力量：升力、重力、推力和阻力。重力是由于地球引力产生的，阻力是由于飞机在空气中运动时产生的空气摩擦而产生的。为了使飞机升空并在空中保持飞行，必须产生足够的升力和推力来克服这两种力。
飞机的发动机提供推力，它们燃烧燃料以推动飞机前进。随着飞机的速度增加，阻力也随之增加，因为阻力与空气流速成比例增加。此外，飞机的机翼形状迫使空气以一定方式在机翼上下流动，产生压差，有效地提供升力，使飞机上升。通过调整机翼的迎角，可以控制升力的生成，从而实现上升或保持飞行高度。
在飞行过程中，可能会出现干扰气流的情况，当飞机速度过低或机翼迎角过高时，可能导致危险的失速。在这两种情况下，机翼无法继续产生足够的升力，因为气流变得不稳定。
超音速飞行的物理原理
在了解亚音速飞行的基础上，我们可以更深入地探讨超音速飞行的原理。首要挑战是超音速飞机所面临的高阻力。在超音速速度下，空气分子不能够及时地躲开飞机，这会导致更多的空气摩擦，产生更多的阻力。
这种额外的阻力引发了多个问题，需要对飞机的设计进行调整。超音速飞机通常具有更狭窄和流线型的外形，以减少空气摩擦，从而减小阻力。此外，它们必须能够抵御高温，因为飞机表面的空气摩擦会导致机身急剧升温。通常需要使用特殊的高温材料，如合金，来构建这些飞机。此外，发动机必须更强大，以提供所需的推力，并且能够在更高的高度飞行，以减少空气摩擦。设计超音速飞机需要考虑这些因素，因此与亚音速和跨音速飞行有所不同。
超音速飞行的历史
超音速飞行的历史可以追溯到20世纪40年代。一个关键的里程碑是贝尔X-1飞机，这个项目是英国的一个基础，旨在研发一种能够突破音速壁垒的飞机。贝尔飞机公司与美国政府合作，制造了贝尔X-1，这架火箭动力飞机于1947年由美国飞行员查尔斯·“查克”·耶格尔首次以超音速速度进行了飞行，马赫1.06。这个突破不仅证明了超音速飞行的可行性，还表明它可以受到有效控制。
在此突破之后，各国军队开始研发超音速战斗机。到20世纪50年代初，美国和苏联都开发出了能够以超音速飞行的战斗机，包括米格-19和F-100D超级刺剑等机型。后来，还开发了许多其他机型，包括F-35和欧洲台风等现代战斗机。历史上最快的飞机是洛克希德SR-71黑鸟，最高速度达到马赫3.2。
商用飞机来说，只有两种主要的客机能够以超音速飞行。一款是俄罗斯制造的图波列夫Tu-144，于1975年开始运营，但在1978年退役。另一款是法国和英国合作制造的协和飞机，于1976年开始服役，一直运营到2003年。协和飞机的超音速巡航速度为马赫2.04。
超音速飞行的挑战
超音速飞行不仅令人兴奋，还面临许多挑战。飞越音速会对飞机结构施加极大的压力，因为这些极端的力量以及与音爆有关的气压急剧变化。此外，空气摩擦会导致飞机的部件加热和膨胀，产生热应力。飞机在加速和制动过程中经历极端的振动，对飞机的部件和结构造成额外的应力。因此，构建足够强大的飞机以进行超音速飞行是一个重大挑战。
与超音速飞行相关的另一个主要问题是与音爆有关。无论物体的大小或形状如何，一旦飞机突破音速，都会产生音爆。这些声爆听起来像一次爆炸或雷声，峰值时可以达到110分贝，足以对附近的建筑物造成结构性损害。这是因为飞机以超音速速度移动，超越了自己产生的声波。音爆不是单一的释放，而是随着飞机一起移动的冲击波，形成声音锥，类似于鞭子的声音。这种噪音和与之相关的问题引发了担忧，包括对人类听力的影响以及对建筑物的潜在损害。
超音速飞行的未来
尽管超音速飞行在技术上令人激动，但它面临着一些挑战，这些挑战影响了其商业可行性。成本是其中一个主要问题，因为超音速飞机通常比亚音速飞机更昂贵。此外，超音速飞机的燃料消耗比亚音速飞机多得多，因为它们需要更多的推力以克服高速飞行带来的增加阻力。这也导致更多的环境排放。
尽管如此，一些公司仍然在研究和发展超音速飞机，希望能够重新引入这种飞行方式。美国航空公司和联合航空公司已经订购了Boom Supersonic的超音速飞机，这些新飞机有望在2029年投入运营。
另一个名为Destinus的欧洲组织提出了一种使用氢动力的概念，他们的飞机将能够以马赫5的速度飞行。该公司已经完成了多次试飞，计划在2024年实现超音速氢动力飞行。还有一些概念正在开发中，旨在实现高超音速飞行，从而大大缩短全球飞行时间。
超音速飞行产生的音爆一直是一个问题，因为它可能对人类和环境造成干扰。大多数国家政府已经禁止在人口密集地区进行超音速飞行。尽管无法完全消除音爆，但一些组织致力于减小其影响。例如，NASA的X-59“安静超音速技术”飞机旨在通过改变飞机产生的声波来减小音爆，从而产生轻微的震动而不是爆炸声。
虽然超音速飞行面临挑战，但仍有公司和组织在寻求解决这些问题，希望重新引入这一令人激动的飞行方式。未来，我们可能会看到超音速飞机重新出现在天空中，以缩短全球旅行时间，但同时需要克服技术、环境和噪音方面的挑战。
