以超音速飞行意味着冲破天空中一个看不见的阈值。以比声波传播速度更快的速度穿行空气，意味着超过特定的空速，但确切的空速是不同的。在火星上，声速不同于地球上的声速。而在地球上，声速会因飞机穿越的空气温度而异。
打破著名的“音障”使查克·耶格尔在 1947 年声名大噪。但如今，如果一个人驾驶军用喷气式飞机飞得比声速快，这并不算是一个显著甚至可察觉的时刻，至少从飞机乘员的角度来看是这样。“老兄，在飞机里你什么感觉都没有，”加州爱德华兹空军基地美国空军试飞员学校的飞行测试工程师杰西卡·彼得森说。地面上的人可能会有不同的看法，这取决于他们离飞机有多近。
以下是关于超音速飞行速度需要了解的内容，自协和式飞机停飞以来，对希望在飞机上体验这种飞行的平民来说，这种飞行方式一直遥不可及。
水中的涟漪，空气中的冲击波
“以超音速巡航意味着‘比声波传播的速度更快’，”自 20 世纪 90 年代以来一直研究音爆的 NASA 阿姆斯特朗飞行研究中心的航空航天工程师爱德华·哈林说。
理解这个话题的一个方法是想象一艘在水中的船。“如果你坐在一条划艇上，静止在湖面上，可能会有一些涟漪散开，但你的速度并不比涟漪快，”他说。“但如果你乘坐的是摩托艇或帆船，你会开始看到船头后面出现的 V 形波纹，因为你的速度比那些涟漪散开的速度快。”这就像一架飞机以超音速飞行。
然而，他补充说，超音速飞机是在三维空间中穿过这些涟漪。“你有一个由这些扰动形成的锥形，你正在穿过它，”他说。
空气的温度决定了声波的传播速度。在地球大气层中，从大约 36,000 英尺到 65,600 英尺的高度范围内，温度足够稳定，声速理论上保持不变。在这个范围内，在典型的一天，声速约为 660 英里/小时。这也称为马赫 1。马赫 2，即声速的两倍，在该高度范围内大约为 1,320 英里/小时。然而，由于实际的一天可能与标准情况不同，您在尝试超音速飞行时的实际速度可能会有所不同。
NASA 表示，如果您想在较低的高度以超音速飞行，在较暖的空气中，声速会更快。在 10,000 英尺的高度，超音速飞行从 735 英里/小时开始。然而，较稠密的空气在这些速度下需要更强的推力才能飞过。
载入史册：首次超音速飞行
1947 年 10 月 14 日，查克·耶格尔成为第一位有记录的超音速飞行员。他在自传《耶格尔》中回忆道，在那天秋日，他以 0.96 马赫的速度在 42,000 英尺的高度飞行。“我注意到，我飞得越快，飞行越平稳，”他写道。
“突然，马赫表开始波动。它上升到 0.965 马赫，然后就超出了刻度，”他回忆道。“我以为我眼花了！我们正在进行超音速飞行！”他后来得知，他当时的速度是 700 英里/小时，即 1.07 马赫。
耶格尔写道，通过无线电，从下方的人们在“跟踪车里打断，报告说他们听到类似远处雷鸣般的声音：我的音爆！”
为什么我们听不到音爆了？
超音速飞行会导致下方产生响亮的音爆。这就是为什么 FAA禁止在美国上空及其沿海地区进行超音速民航飞行。正如 NASA 指出的，这项禁令于 2023 年 4 月正式满 50 周年，在此之前，人们可以理解地不喜欢听到音爆。太空机构表示，在 20 世纪 50 年代和 60 年代，“亚特兰大、芝加哥、达拉斯、丹佛、洛杉矶和明尼阿波利斯等地，都遭受过军用战斗机和轰炸机在高空飞过时产生的音爆”。1968 年，科罗拉多州空军学院的一次事件尤其具有破坏性。NASA报道说，该事件发生在 5 月 31 日，当时一架“战斗机以比音速高 50 英尺的速度打破了音障”。“音爆震碎了标志性的空军教堂侧面的 200 扇窗户，并造成十多人受伤。”
音爆的产生是由于飞机不同部件产生的激波。例如，战斗机的座舱盖或发动机进气口都可能产生音爆。问题出在这些不同的激波如何汇合，最终形成两个主要的冲击波。“当它们结合时，压力就会越来越高，”哈林说。它们的结合方式是一个冲击波来自飞机的前部，另一个来自后部。哈林说，地面上的人会检测到“砰，砰”。
有趣的是，飞机在这种情况下的长度很重要，它会影响音爆在时间上的间隔。例如，航天飞机的长度超过 100 英尺。在这种情况下，人们会注意到“砰… 砰，”哈林说。“而一架非常短的飞机，则是砰砰。如果它真的很短，而且离得很远，有时这两个音爆之间的时间间隔很短，你无法真正分辨出有两个独立的音爆，所以你只听到砰。”
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这些砰砰声的问题促使 NASA 与洛克希德·马丁公司合作开发一种新的实验飞机，名为X-59。它的目标是以比典型超音速飞机更安静的方式超音速飞行。值得注意的是，飞行员看不到前方场景的座舱盖，而是依赖于外部视觉系统——一个内部的显示器，显示飞机前方的情况。NASA 表示，该设计的测试已于 2021 年完成，这有助于保持飞机的流线型。最终目标是通过其设计来控制从飞机上产生的任何激波。“在 X-59 上，从机头到机尾，一切都经过精心设计，以尽量保持这些激波的分离，”哈林说。
NASA 表示，他们计划今年进行飞行，目标是观察其产生的噪音量以及人们对其声纹的反应。哈林推测，X-59 产生的噪音可能“就像街对面的邻居关车门一样”。“如果你正在和别人交谈，你可能根本不会注意到。”但实际飞行将是对这一假设的检验。
X-59 的目标是在大约 55,000 英尺的高度以 1.4 马赫的速度飞行。换算成英里/小时，这个速度是 924 英里/小时。然后，想象一下飞机有一个顺风，它的对地速度可能会超过 1,000 英里/小时。（请注意，大气中的风会影响飞机的对地速度——飞机相对于地面移动的速度。顺风会使其加速，逆风会使其减速。）
超音速通道
在加州爱德华兹空军基地，超音速通道允许飞行员在一定高度以上以马赫 1 或更快的速度飞行。在一个通道中，飞机必须达到 30,000 英尺或更高。在另一个通道，即黑山超音速通道，飞机可以低至 500 英尺。请记住，在低空超音速飞行的速度会比在高空更快，并且需要更大的推力才能穿过更稠密的空气。
“从飞行测试的角度来看——这就是我们在爱德华兹所做的，我们专注于测试新飞机、新系统——我们经常进行超音速飞行，”美国空军试飞员学校的飞行测试工程师彼得森说。
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其中一个超音速通道位于基地上空，这意味着在那里可以听到音爆，尽管飞机必须在 30,000 英尺以上。“我们可以对基地进行音爆，而且我们一直都能听到，”她补充道。
她指出，在最近一次驾驶 T-38 的飞行中，当她以 32,000 英尺的高度突破音障时，她的飞机对地速度为 665 英里/小时。但在 14,000 英尺的高度，她以 734 英里/小时的对地速度实现了超音速飞行。
然而，在测试场景中进行超音速飞行与出于作战原因进行超音速飞行之间存在差异。科里·弗洛伦多，一位也在美国空军试飞员学校的飞行员兼教官，指出在真实的任务中，他只会“尽可能少地”进行超音速飞行。
他补充说：“当我进行超音速飞行时，我消耗了很多燃油。”
因此，超音速飞行在某些情况下仍然可供军队使用，当他们愿意消耗燃油时，但普通旅客则不行。例如，波音 787 的设计巡航速度为声速的 85%。然而，一家名为Boom Supersonic 的公司，旨在将这种飞行方式重新带回商业旅行；他们的飞机，称为 Overture，可能在 2027 年进行测试飞行。你可能不必对此抱太大希望。
普渡大学航空航天学院的副教授乔·朱厄尔认为，超音速飞行仍然带有“神秘色彩”。
“这仍然是一种稀有而特殊的事情，因为我们统称为音障的挑战在物理上仍然存在，”朱厄尔说。当飞机穿过空气时，压力波仍然会在飞机前方聚集。“它仍然在那里，和 1947 年一样，我们现在只是知道如何应对它了。”
在下面的视频中，观看一架 F-16 超越一架 T-38；两架飞机都以超音速飞行，而只有轻微的摇晃运动才能表明激波正在与飞机发生相互作用。由杰西卡·彼得森和美国空军试飞员学校提供。
