世界上飞得最快的飞机_世界上飞得最快的飞机折法

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一分钟52千米，同济物理教授称歼-20最高速度2.8马赫：可能是真的
11年前首飞的歼-20对大家来说已经不再神秘，尽管珠海航展上歼-20的关注热度依然很高，但想要重现爬墙党的热情已经不再了！不过日前网友翻出的一个视频又将歼-20送上了关注焦点。

网传同济大学72岁退休女教授“不刷题的吴姥姥”在一档纪念顾诵芬原始的节目中表示，歼-20的最高速度可达2.8马赫，这个速度让熟悉歼-20性能的朋友吓了一跳，资料中的歼-20最高速度为2.2马赫，巡航速度为1.8马赫，现在给出了个2.8马赫，究竟是不是真的？
资料来源：“不刷题的吴姥姥”真这样说了！笔者当年也在超大和美言上持续关注爬墙党们发出的关于歼-20的最新消息，对歼-20的性能还是颇为了解的，尤其是速度方面，各大媒体给出的速度最高也就是2.2马赫，因此笔者看到这个“不刷题的吴姥姥”给出2.8马赫时也是愣了一下，这到底是不是真的，不会是PS的吧？

由于笔者看到的这位作者的图片中只有一张截图，因此花了不少时间才确认这是同济退休教授“不刷题的吴姥姥”在一年前发表在视频平台抖音上的作品，第111集：《飞机突破“死亡壁垒”音障有多难！致敬顾诵芬院士》的视频。

该视频回顾了上世纪80年代顾诵芬院士在歼-8战斗机跨音速试飞中遭遇了机尾共振的难题，时年48岁的顾诵芬坐在另一架战斗机上贴近观察共振的位置，最终解决了这个跨音速共振的难题，而在视频末尾，“不刷题的吴姥姥”提到了我国已经装备的五代机歼-20，她表示该机的最大速度高达2.8马赫。

这表示“吴姥姥”确实说过这句话，而“不刷题的吴姥姥”是同济大学物理学退休教授，抖音粉丝386.1万，可以说影响力也非常大，尽管物理学教授并不是军事专家，但超音速确实是个物理学问题，因此“吴姥姥”对此确实有些发言权，但2.8马赫与大家印象中的速度相差也太大了吧，基本已经和米格-25和SR-71在同一个级别了。

虽然米格-25和SR-71都是上世纪六十年代的飞行器，但其超过3马赫的速度，目前并没有战斗机可以轻易达到，而歼-20最高速度可达2.8马赫，这事儿到底是不是真的？

歼-20的速度真可能达到2.8马赫吗？歼-20是除了美国的F-22和F-35以外第一种五代机，而且研发它的是一直不被重视的中国，因此在2011年首飞时对各国的冲击力是非常大，其诞生后一直都处在各国军方视野的焦点。J-20主要空中优势战斗机，与F-22类似，同样兼具多任务比如对地攻击等，但其体型要比F-22大一圈。

歼-20的气动布局为三翼面结构，有一对全动鸭翼以及全动尾翼，进气道为DSI进气结构，线条非常流畅优美，所有接缝都有防止过高反射电磁波的锯齿设计，其航程相当大，主要结构参数如下：

以上这些参数估计各位军迷都应该非常熟悉了，笔者就不多废话了，本文的关注重点在歼-20的最高速度是否可以达到2.8马赫，下面讨论下与超音速相关的部分。

对于最高速度部分讨论，可能很多朋友都认为，把发动机推力与飞机重量也就是推重比拿出来对比下就知道J-20能飞多快了，但事实上这个问题绝对不是那么简单，比如当年创下速度记,3.32马赫的SR-71的推重比只有0.382，2.83马赫的米格-25的推重比为0.41，2.2马赫的协和客机推重比只有0.373。

那么J-20的推重比是多少呢？发动机为WS-10C时、挂载武器燃油减半时为1.12，比较高载荷时推重比为0.92左右，比以上三架飞行器要高得多，所以速度也比它们高很多？其实完全不是，推重比尽管非常关键，但推力并不是速度的决定性因素，因为和速度相关的有两个最关键的因素如下：
飞行器的展弦比发动机的涵道比展弦比是一个空气动力学上的专用名词，早期的展弦比值得是宽高比，因为当时的飞机机翼是一个长方形，以翼展和翼弦长的比例，因此被称为展弦比，但后掠翼使用后这个方法就不好用了，改成用为机翼的翼展平方与机翼翼面积的比值，如下：

展弦比大的比较适合低速飞行，比如B-52轰炸机展弦比为6.5，U-2高空侦察机展弦比10.6，全球鹰无人机展弦比更是高达25，展弦比大的飞行器低速性能很好，但其速度比较难提高。而小展弦比的飞行器高速性能非常好，问题是低速性能不好，因此一些高空高速战斗机难以拦截低速运动型飞机的现象确实是存在的。

在跨音速或者超音速战斗机中，机翼一般都是后掠翼甚至三角翼，这还有另一层原因，音速以及超音速飞行时飞行器的机头部位压缩空气会产生激波，这个会以机头为定点的一个箭形传播，激波前后气体的性质会发生剧烈变化，能量很大，如果此时机翼仍然是大展弦比的翼型，那么平直的机翼会被冲击解体导致飞行事故的发生。

增加机翼的后掠角度可以推迟激波的产生，因此在目前的跨音速与超音速战斗机中基本都是后面积比较大的掠翼，当然也有翼展很小的梯形翼，比如NASA早期测试的超音速飞机XF-104就是个奇葩。

歼-20的展弦比是否适合更高速飞行？
歼-20的机身长度为21.2米，翼展为13.01米，机翼面积为73.48平方米，展弦比在2.2左右，属于小展弦比高速战斗机，如下图：

图源：超大LantianYY
上图为早期J-20的比例数据为2.2，有一些出入，但展弦比大致如此，本文就直接引用了，那么那些速度可达2.8~3.3马赫的飞行器展弦比又是多少呢？米格-25的机翼的后掠角为42°，下反角5°，相对厚度4%，翼面积61.9米2，展弦比3.2。

SR-71的展弦比呢？SR-71的机身长度32.74米，翼展16.94米，机翼面积170平方米，展弦比为1.939。

网上还流传着SR-71展弦比1.69的数据，不过笔者是从SR-71的官网上扒来的资料，估计准确性应该会高一些。因此单独从展弦比角度来考虑，目测歼-20的飞行速度确实可以达到相当高的速度，至少速度在米格-25的2.8马赫~SR-71的3.3马赫之间，至于是多少，笔者也是没法确认，但就凭展弦比而言，确实可以的。

而且展弦比较之F-22的2.3还要小一些，其考虑就是为了超音速巡航，歼-20的发动机比F-22的发动机F119有比较大的差距，只能在气动布局上下功夫，而歼-20做到了。
另一个关键因素：发动机涵道比
飞机的气动布局确实可以飞那么快，但另一个问题是在发动机身上，上文已经说了，超音速飞行中推力尽管很重要，但并不是决定性因素，更关键的发动机的涵道比（旁通比），也就外涵道与内涵道之间的空气流量比。

涵道比是涡扇发动机中一个特有的名词，目前比较常见的喷气式发动机有两种，一种涡轮喷气发动机，另一种是涡轮风扇发动机，两种发动机的原理都是用多级压气机将进入发动机的空气压缩后送到燃烧室喷入燃油燃烧后，高温膨胀的燃气推动高温涡轮工作后再从尾喷口排出推动飞机前进：

上图为涡轮喷气式发动机的典型结构，可以看到从前到后空气通道只有一个，这种涡喷发动机的涵道比是0。

上图为涡轮风扇发动机的典型结构，空气通道有两个，一个是外涵道，一个是内涵道。涡扇发动机有一个比压气直径更大一些风扇，部分空气从内涵道外围通过，不仅能给发动机散热还可以增加推力。

比如大涵道比的客机发动机风扇，其外涵道产生额推力可以占到发动机推力的一半以上，比如CFM56-7发动机（波音737NG飞机的发动机）为例，风扇产生的推力占总推力的78%以上，但它有一个缺点，就是风扇面积太大，阻力很大，高速性能并不占优。

与之对比，0涵道比的涡喷高速性能非常不错，但低速油耗偏大，并且推力，而小涵道比的涡扇发动机则在推力和油耗上取得一个平衡，综合性能都不错，不过目前也有一种兼顾涡喷高速性能和涡扇低速大推力的变循环发动机，不过不在本文讨论之列。
歼-20的发动机涵道比：适合高音速飞行吗？
歼-20的发动机此前有说法是AL-31F，不过就珠海航展的歼-20发动机来看，应该已经换成了WS-10C，衍生自WS-10，这种发动机的主要参数如下：
长度：4950毫米直径：1160毫米净重：1.7吨压气机：9级轴流式高压压气机（压比12，绝热效率85）最大推力： 132千牛（WS-10C为147千牛）推重比：7.9涡轮前温度：1423℃空气流量：120千克/秒涵道比：0.78这个发动机参数还能和SR-71以及米格-25的发动机对比涵道比了吗？答案是否定的，因为米格-25的发动机为土曼斯基R-15BD-300带加力燃烧室的涡喷发动机，涵道比是0。而SR-71的发动机J58则是一种早期的变循环发动机。

这种发动机在压气机的第四级通过6根管道将部分气流引出直接送入加力燃烧室，不仅能大幅降低高温涡轮的温度，还能长时间开启加力！这种发动机在不同速度下的气流的走向是不一样的，而美军目前也发展出了最新的变循环发动机XA-100。

低于2.2马赫的工作状态

高于2.2马赫的工作状态
F-22的发动机F119涵道比在0.3左右，公开的最高速度为2.25马赫，但从其涵道比和展弦比分析，它应该具有更高的速度，军事专家认为其最高速度可能在2.5马赫左右，WS-10的涵道比在0.78，按一般高于2马赫的发动机比较少选用0.5以上的涵道比来看，似乎WS-10发动机的极速是受到一些影响的。

F119发动机
不过高速性能和涵道比不是唯一相关，高速性能还和增压比以及涡轮前温度相关，不止是涵道比，涵道比增大的情况下可以通过这些方面的设计来解决对高速性能造成的影响。因此笔者认为J-20的高速性能虽然在气动布局上扳回一局，但在发动机上可能比F-22略差，而整体速度上应该略低于F-22。
《人民日报》短视频《一分钟》：1分钟飞52千米《人民日报》曾发过一则短视频披露过歼-20的极速，在视频中明确表示，歼-20战机在一分钟内可战斗巡航52公里，按海平面音速计算，马赫数已经超过2.54，而一般的高空音速会略低，因此马赫数会更高一些，比如按10000米高空音速299.41米/秒计算，马赫数为2.89，基本符合2.8倍音速的说法。

但以上文的数据中似乎又不太符合推测，不过歼-20的“原定装机发动机”WS-15的涵道比仅为0.25，而且其推力达到了181.373千牛，涡轮前温度为1580℃，空气流量为138千克/秒。如果F119能达到2.5马赫，那么WS-15达到2.8马赫以上似乎问题不大。

这似乎表明，《人民日报》的短视频中的数据来自WS-15发动机的测试数据？如果只是“不刷题的吴姥姥”视频中说明，笔者认为可能是口误，但人日的一分钟52千米又如何解释？所以各位猜去吧。

延伸阅读：歼-20高速性能非常优秀，那么升力不行吗？歼20采用中等后掠翼和小展弦比，机翼面积只有约37.5平方米，为f22的一半，这就降低了阻力，提高了超音速巡航能力，增加了航程。但升力怎么来？五代机不仅需要高速，还需要高机动性的升力。

图源见水印
为了在低迎角下提供足够升力，歼20采用鸭翼和边条翼复合耦合增升 ，其在低迎角下升力系数提高很大，改善了起飞速度（大大降低），还提高了超音速升阻比，成飞通过歼9与歼10的气动布局设计掌握了鸭式气动布局和电传飞控技术，又通过枭龙掌握了大边条技术，这就是鸭翼和边条翼复合耦合增升！

请注意第八项

这项设计还曾获过大奖，在知识产权局公布的第21届中国专利奖名单中，歼-20以“升力体边条翼鸭式布局”荣获外观设计专利金奖。所以各位千万别小看歼-20看着就像高空高速机型，但其实它的设计要比F-22的气动设计复杂太多。
#所见所得，都很科学#
#头条群星10月榜#
马赫，知道吗？
你听到这个问题之后，也许正在在心里回忆自己认识哪些“老马家”的人。
先把你的朋友圈放一放，这里说的马赫是一种单位，专门用来衡量运动中物体的速度。
马赫是什么？马赫的定义是速度与音速的比值。所以，1马赫就是一倍音速，相当于声音的速度乘以1。
那么，声音的速度是多少呢？
这个问题可就难了。声音本质上是一种震动。当一个物体发生震动，它就成为了声源，从自身开始，把震动通过周围的物质传播出去。

这些能够传播声音的物质称为介质，传播声音的原理是它们会随着声源的震动而震动。组成空气的气体分子、组成水的水分子和种种固体物质都可以作为声音传播的介质。当然，在真空当中什么分子都没有，声音自然也无法传播了。
从声源发出的震动经过介质，达到我们的耳朵里，引起耳朵里鼓膜的震动，我们就听到了声音。

至于声音的速度有多快，取决于介质的密度，也就是介质中的分子、原子有多密。简而言之，就像是大家排排站，击鼓传花。人越多，站得越密，传得也就越快。
可是，密度并不是固定不变的。以最常见的空气为例，温度越低、海拔越高，空气就越稀薄，声音在其中的传播速度就越慢。
因此，为了研究方便，科学家们将温度为0℃、在纬度45度的海平面上测定的气压定为标准大气压。在标准大气压下，温度为15℃时，声音的速度是344米/秒，这就是标准音速。
在日常生活中，我们使用标准音速就可以了。不过工程师们在计算飞行器的速度时，就要根据飞行器在大气层中的位置来计算不同阶段的音速。
为什么飞行器才使用马赫？我们平时走路的速度大约是1.5米/秒，为什么不可以说是0.004马赫？
还有公路上的限速都以“公里/时”为单位，为什么不也改成马赫？这样看着多高大上啊！
在日常生活里，使用什么速度单位都是为了便于人们理解。如果大家愿意使用马赫，也不会造成任何严重后果。
然而，如果飞行器不使用马赫作为单位，飞行员可就惨了。使用以音速为标准的马赫，才能让飞行员及时意识到，自己什么时候要撞上音障。
音障是什么？上文提过，物体声音来自于物体的震动。那么，物体在震动时也会发出声音，会带动周围的介质一起震动。
当声音在空气中传播，空气分子随声源发出的震动被压缩，随后复原，将声音一波波传递出去。因此，空气被压缩又复原的速度就相当于在同样条件下的音速。
当飞行器在空气中行进时，它周围的空气也会被它推动。这时，飞行器前方的空气无法及时扩散，就会发生一定程度的压缩。
当飞行器的速度低于音速，这样产生的压缩将被它前方的空气以音速的速度传递。这就好像飞行器一边飞，它前方的空气帮着吆喝“它来了它来了，它脚踏祥云走来了”。于是，飞行器就能像一把刀子一样，在空气里穿行。

然而，当飞行器的速度达到音速的90%，它就能追上自己发出的声音。飞行器前方的空气还来不及把消息传播出去，飞行器自己就追上来了。这时，飞行器前方的空气会层层压缩，局部气流的速度超过音速，形成激波。这时飞行器身边的压强也会剧烈增加。压强加上激波的危险境地，被飞行员和工程师们称为“死亡漩涡”，也就是我们平时说的“音障”。
音障会让飞行器浑身颤抖，严重时甚至会把飞行器的翅膀活活撕下来，让它在半空中四分五裂。

如果天上有一架飞机撞上了音障，地面上的人会听到一声巨响，仿佛凭空发生了爆炸，这就是音爆。被剧烈压缩的空气并没有被束缚住，一边被压缩，一边也会向周围急速扩张，产生声波。炸药引发的爆炸声也是这么来的。
同时，地面上的人也能看到一个雾蒙蒙的圆锥体，包裹在飞机周围，这就是音爆云。音爆云的形成，也是因为空气瞬间被压缩，导致空气压强增大，其中的水蒸气沸点降低，迅速凝结成水珠。所以，音爆云和真正的云彩，都是由水蒸气构成的。

不是说飞机遇到音障会四分五裂吗？原来音爆云不是它爆炸了？
其实，人类飞行器早就能够平安突破音障了。
飞机如何突破音障在二战期间，同盟国和轴心国双方都投入了巨大努力，争先恐后地研发更高、更快的战斗机。在这样的比拼当中，到了二战后期，战斗机平飞时的最大时速已经超过250米/秒，高速俯冲时则很可能突破音速。飞行员们逐渐接近了“死亡漩涡”，却对自己面前的危险一无所知。
1944年，一位德国王牌飞行员诺沃特尼登上一架崭新的飞机。这架飞机是德军交给他试飞的最新型号，军方希望这名王牌飞行员根据自己的经验提出改进意见。然而，在一次俯冲测试之中，这架飞机却当场粉碎，飞行员也尸骨无存。
一开始，人们怀疑是美国空军前来偷袭。但是凭借当时的战斗机，无论哪个国家的火力都不足以让诺沃特尼的座驾粉粹得如此彻底。
1945年，英国空军在试飞新型战斗机时，发生了同样机毁人亡的事故。一位工程师说，这就像飞机面前出现了一堵墙。

音障这个词和它带来的危险，才终于为人所知。
为了突破这个“魔障”，各国科学家和工程师都铆足了劲。很快，在1947年，美国XS-1式（后改名为X-1）试验火箭飞机迈出了超越音速的第一步。这架飞机靠火箭发动机提供动力，并且将传统的钝圆机头改为尖锥，整个飞机的造型也变得尖锐，飞机鼻子上还顶着针刺一样的空速管。

这种飞机的设计理念是，飞机应该尽快突破音障。在突破过程中，飞机上的每个部位应尽可能同时达到音速，以免机身各部位震荡频率不同导致解体。当然，即便如此，飞机仍然要经过一个极其颠簸的过程，这只能靠材料的强度硬扛。
凭借这些改良，到二十世纪五十年代，超音速战斗机开始量产。
到了七十年代，英国和法国共同推出了超音速的民用客机——协和飞机。不过，这款飞机很快就因为油耗过大以及事故频发，退出了市场。因此，虽然人类已经踏出了音障，但是民用客机仍然维持在亚音速水平。
新的“魔障”：热障和黑障随着设计的发展，压缩后的空气无法困住人类的脚步。但是，这可不代表空气就此放了人类一马。
在超音速时代，飞行器速度越来越快，与空气摩擦产生的热量也越来越大。原本无所谓的小小热量，在飞机速度提升之后，成了危及飞行器的新障碍——热障。
飞机在起飞、爬升之后，会进入平流层做长距离飞行。在平流层中，当飞机的速度达到2马赫，机头温度升至120℃，达到3马赫之后，温度随之上升到370℃。
为了轻便，飞机的外壳通常是铝合金，在这样的高温下，铝合金强度飞快减弱，飞机也就变成“烤鸭”了。

不过，科学家们发现，热障出现在2.2马赫左右。当飞行器速度突破2.2马赫，虽然表面温度仍在升高，但散热能力也随之增强，因此高温不再威胁飞行器的安全。
这样，问题就简单了。一方面，借助材料工艺的发展，飞行器加装了更耐热、更轻便的钛合金甚至高分子陶瓷外壳。另一方面，科学家们也为超音速飞机设计了水冷系统，人工加快散热速度。
如果飞行器速度太大，大到足以离开地球、进入太空，就要使用烧蚀材料来散热了。这些材料反其道而行之，非常容易燃烧、融化最后汽化，这些反应都会吸热，因此也降低了飞行器的热量。
然而，当离开地球的飞行器打算回来，新的障碍又出现了。面对这个障碍，人类目前还是一头雾水。
2022年即将过去，我国已经完成了中国空间站在轨建造，神舟十四号带着航天员进入天宫已经有半年了。当这些航天员结束任务返回地球时，将在大气层内度过无比漫长的五分钟。
返回舱进入大气层后，速度能达到30马赫甚至更高，温度达到两到三千摄氏度。这时，涂装在返回舱外的烧蚀材料快速汽化，空气也在高温下发生电离，最终导致返回舱外包裹着一层等离子体鞘套。于是，返回舱一头撞进了黑障。

返回舱与地面通讯使用的是电磁波，而电磁波最怕的就是等离子体。等离子体会将电磁波反射甚至吸收，因此飞行器发出的无线电信号全部“融化”在这一片高温之中。外界传来的信号也无法突破。整个返回舱如同被一块黑布包裹一般，过程一般在五分钟左右。
在这五分钟之内，返回舱中的航天员仅凭自己的勇气和毅力抵挡失联的恐惧。而地面指挥中心的人们，也动用了全部的智慧来定位返回舱的准确落点，力求尽早找到他们。
到目前为止，人类拿黑障还没有办法。无论是消除等离子体的涂料，还是改变信号频率以穿透黑障最薄弱处，这些方法都只能尽量削弱黑障的厚度，却无法真正突破它。
然而，一代代科学家们仍然燃烧着自己的青春，力求早日照亮黑障，让人类的脚步迈向更遥远的地方。