馬赫是一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度與音速的比值。
若馬赫數(shù)的取值以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下、15攝氏度時(shí),聲音在空氣中的傳播速度340米每秒為基準(zhǔn)。以此計(jì)算,20馬赫的速度就相當(dāng)于6800米每秒。
當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度大于音速,也就是馬赫數(shù)大于一時(shí),那么它就進(jìn)入了超音速領(lǐng)域。
音速就是聲波在介質(zhì)中的傳播速度,它是不固定的,取決于介質(zhì)的密度、溫度、壓強(qiáng)等因素,有些情況下音速還與聲波本身的特性(比如振幅、頻率)有關(guān)。也就是說(shuō),馬赫數(shù)所對(duì)應(yīng)的速度并不是固定的。
聲波是振動(dòng)能量擴(kuò)散的一種形式,依靠分子間的相互作用進(jìn)行傳遞。通常聲音在密度大的介質(zhì)中傳播的速度更快,比如聲音在液態(tài)水中的傳播速度可達(dá)1500米每秒,而在空氣稠密的低空中的傳播速度約為340米每秒。此外,不均勻介質(zhì)中的音速處處不同。另外,聲音的傳播依靠介質(zhì),在真空中運(yùn)動(dòng)的物體是不適用馬赫數(shù)的。
那么如此來(lái)看,低空中的20馬赫和高空中的20馬赫,完全是兩個(gè)概念。
在海拔1萬(wàn)米的高空中,那里屬于平流層下部,空氣比較稀薄,音速僅為295米每秒。同為20馬赫的速度,1萬(wàn)米高空中的馬克數(shù)與340米每秒的標(biāo)準(zhǔn)音速下的馬赫數(shù)相比,兩者之間相差了900米每秒的速度。
事實(shí)上,如果僅在低空平飛,飛行器的速度很難超過(guò)5馬赫。因?yàn)榭諝庾枇εc飛行器的運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比,速度越快,意味著飛行器所承受的阻力也就會(huì)越大,并且呈指數(shù)增長(zhǎng)。
如果在萬(wàn)米高空飛行,由于空氣稀薄阻力小,若采用性能超強(qiáng)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī),那么速度超過(guò)5馬赫還是很輕松的,最大甚至能超過(guò)20馬赫。如果還想更快,就只能使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)了。
6.8千米每秒的速度在大氣層內(nèi)來(lái)說(shuō)確實(shí)很快,不過(guò)在太空中不值一提,連第一宇宙速度(環(huán)繞速度,7.9千米每秒)都沒(méi)有超過(guò)。這樣的速度根本就擺脫不了地球或太陽(yáng)的引力,更何談飛出銀河系。
如果不考慮這一點(diǎn)以及其他因素,僅從速度角度來(lái)說(shuō),以6.8千米每秒的速度,一艘飛行器多久能出銀河系?
說(shuō)實(shí)話,銀河系究竟有多大,科學(xué)家們至今都沒(méi)有弄清楚,總之它的直徑(算銀暈)大約在10~20萬(wàn)光年之間。
太陽(yáng)系距離銀河系中心大約2.6萬(wàn)光年,若以5萬(wàn)光年的半徑來(lái)計(jì)算,從地球出發(fā),6.8千米每秒的速度要飛大約10億年才能飛出銀河系。
銀河系是一個(gè)旋渦星系,從窄面來(lái)看呈飛碟狀,位于中央的銀核比較厚,而銀盤(pán)則比較薄,我們就處于銀盤(pán)上。銀盤(pán)的平均厚度約2000光年,而太陽(yáng)系附近的銀盤(pán)厚度約5000光年。
如果飛行器以6.8千米每秒的速度垂直于銀盤(pán),從太陽(yáng)系的位置上起飛,飛出銀河系的銀盤(pán)進(jìn)入銀暈,也需要1.1億年。
太陽(yáng)正帶著太陽(yáng)系的八兄弟,繞著銀河系中心以200多公里的速度高速公轉(zhuǎn)。如果飛行器從太陽(yáng)繞銀心的公轉(zhuǎn)軌道出發(fā),想要脫離銀河系的引力束縛,速度必須要達(dá)到每秒數(shù)百公里,也就是第四宇宙速度。不過(guò)銀河系的質(zhì)量究竟有多大,科學(xué)家們也沒(méi)有弄清楚,所以這個(gè)第四宇宙速度的數(shù)值也沒(méi)有定論。
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