马赫10飞行时代来临！新研究简化超音速飞机设计

曾经被认为是虚构的目标——将数小时的旅程缩短至仅一小时，如今已更进一步。美国史蒂文斯理工学院的尼科劳斯·帕尔齐亚尔教授及其团队为一个长期存在的假设提供了实验性证据，该假设可能简化超音速飞机的设计。

超音速飞行被定义为速度达到音速五倍（马赫5）或更高。这对全球旅行来说意义重大。

例如，从悉尼到洛杉矶的漫长的旅程可以从15小时缩短至仅一小时。

“这真的让地球变得更小。它将让旅行变得更快、更轻松、更愉快，”帕尔齐亚尔说。

高速下的气流

要在一小时内从洛杉矶到悉尼，飞机需要达到马赫10（约7000英里每小时）。目前的军用飞机最高飞行速度可达马赫2或马赫3。

一个主要的障碍是理解空气在这些超高速度下的表现。

在常规飞机速度下，空气密度保持相对恒定，这种现象被称为不可压缩流动。

但在音速以上，空气变得可压缩，其密度随着压力和温度的变化而发生显著变化。这改变了飞机与空气的相互作用，从而影响升力、阻力和推力等多个因素。

“这是因为气体可以‘压缩’，”帕尔齐亚莱解释道，详细说明了这种可压缩性如何使飞机设计变得复杂。

航空航天工程师们很长时间以来一直在努力深入理解这些极端马赫数下的湍流。

一个关键的理论支柱是莫尔科维宁假说，这个假说是在20世纪中叶提出的。

这个假设认为，基本的“波动”湍流运动在低速和高速（马赫数5或6）之间保持一致，尽管在更快的流动中，空气的密度和温度会发生变化。

“如果这个假设是正确的，这就意味着我们不需要完全重新理解这些高速下的湍流。我们可以使用与较慢流动相同的概念，”帕尔齐亚莱说。

实验证明

到目前为止，确认莫尔科维奇假设的实验证据一直难以确认。

帕尔齐亚莱的新研究就是为了填补这个空白。

超高分辨率相机用于捕捉这条荧光线在空气中移动、弯曲和扭曲的过程。

这种可视化技术使研究流动湍流的细微结构成为可能。

“当那条线随着气体移动时，你能看到流动中的褶皱和结构，从中我们可以学到很多关于湍流的知识。我们发现，在马赫数6时，湍流行为与不可压缩流动非常相似，” 指出 Parziale.

这个假设在所有操作条件下尚未得到充分验证。

然而，这表明未来的高超音速飞机可能不需要不同的设计，这可能简化复杂的工程过程。

团队表示，简化的高超音速飞机设计也可能有利于太空旅行。它可以用于进入太空，而不仅仅依赖火箭发射。

这个创新会让往返低地球轨道（LEO）的旅行变得更简单，成为全球和轨道运输的“游戏规则改变者”。