世界最快的飞机，速度6.72马赫，为NASA航天项目提供重要实验数据

【军武次位面】作者：FriedrichLau

作为有史以来飞行速度最快的载人火箭飞行器，北美航空公司出品的X-15的确可以称得上是一个工程奇迹。它首次实现了大气层边缘的载人飞行任务，并且是首架保持5马赫高超音速飞行记录的飞行器，这些成就不仅巩固了其在航空史上的地位，而且针对该项目所总结的一系列经验，也为NASA其他航天项目的发展提供了必要帮助。

北美X-15项目始于上世纪40年代，由NASA的前身，美国国家航空咨询委员会（NACA）牵头展开的贝尔X-1超音速试验飞机项目。随后在20世纪50年代，即1954年7月将该项目的相关数据结果提交至美国海空军进行研究。而为了准确测试宇航员在太空作业时的所面临的相关情况，基于多年来对火箭飞行器的研制经验，新项目随即交由北美航空公司进行机身设计，而反作用发动机公司则负责提供满足实验所需的新型发动机。

▲北美X-15是美国基于多年来对火箭动力飞行器研究的结晶，其前身是贝尔X-1型超音速飞行器

按照设计要求，X-15采用波音B-52 战略轰炸机作为母舰进行发射。在整个项目执行期，X-15的发射工作主要由编号为NB-52A和NB-52B的两架轰炸机进行，可以为X-15提供必要的发射速度（500英里/小时）和发射高度（距地面8.5英里）。随后，X-15的首次飞行实验于1959年6月进行，仅在首飞后几个月，该飞行器便宣布正式投入使用。

在服役期内，X-15生产了3架。采用单座，中单翼布局，安装有整流罩和楔形稳定鳍，由两台XLR11液体推进剂火箭发动机提供动力，可为飞行器提供16000磅的推力。随后该型发动机被更加强劲的XLR99取代，可提供高达57000磅的推力。此外，为了保护飞行员免受近太空飞行的影响，飞行器的一部分由被称作“Inconel X”的耐热镍合金外壳包裹。

▲X-15

在从B-52上发射后，X-15的火箭发动机将会在飞行开始后的前80-120秒为飞行器提供推力，随后飞行器将会以200英里/小时的速度持续滑行8-12分钟，直至最终降落。为了确保飞行员的生命安全，X-15也安装有弹射座椅，可以确保飞行器在12万英尺高度和4马赫的飞行速度下安全弹射飞行员，并在到达安全高度后开启降落伞。

▲以B-52为母舰进行发射的X-15

X-15一经问世，就在不同场景下进行了多次测试，在十年的服役期内，该飞行器共计进行了199次飞行，共有12名飞行员（其中5名来自NASA，1名来自美国海军，5名来自美国空军以及1名来自北美航空公司）先后参加过该飞行器的飞行工作，其中8人由于飞行高度超过了50英里，因而符合美国空军的太空飞行标准，其中著名的登月宇航员尼尔-阿姆斯特朗也曾是该机的飞行员之一。

▲藉由该机的199次飞行取得的数据，使得NASA可以应用至其他重要的航天飞行任务中

在20世纪60年代，X-15曾先后创造了多项飞行速度和高度记录，其中包括至今仍未打破的有人驾驶动力飞行器的最高速度记录：1967年10月3日，美国空军少校威廉-J-"皮特"-奈特在在102100英尺的高度上，驾驶X-15达到了4520英里/小时，即6.72马赫的飞行速度。

▲宇航员尼尔-阿姆斯特朗同他驾驶的X-15

1968年12月，X-15正式宣告退役，该计划被后世认为是成功的，因为该机型的飞行数据不仅帮助NASA发展了航天飞机计划，同时还为著名的阿波罗（1961-72）、水星（1958-63）和双子星（1961-66）航天飞行项目提供了必要帮助。今日，公众可在美国俄亥俄州代顿的美国空军国家博物馆和华盛顿特区的国家航空航天博物馆内看到X-15的实物展出。

我们常见的飞机是目前最快的交通工具，每小时一千公里的速度

我们常见的飞机是目前最快的交通工具，每小时一千公里的速度，为人们出行带来了极大的便利，朝发夕至对于飞机来说，千里之行只需要1,2个小时左右的时间，就像古代传说的日行千里的神话一样实现了。

飞机的强大工作动力，主要就是靠核心部件，飞机的发动机，而飞机发动机工作时，又主要靠叶片来旋转，为什么飞机发动机叶片很难造？它们到底用的什么材料？今天算长见识了。

拿我们民航客机来说，民航飞机的发动机叶片是由三种叶片组成的，分别是风扇叶片、压气机的叶片和涡轮叶片，飞机发动机叶片难造，主要是建造叶片的特殊金属难以生产。

飞机发动机最外面的叶片是为了保护发动机，调控气流冲入发动机的风速和流速，避免因为过快的气流冲击，导致发动机内的燃油浪费。这组叶片的作用非常重要，它们能保证气流可以通过挤压进行气流强弱的可控，从而能保护飞机不受气流的强弱影响而忽快忽慢。

实际上飞机发动机的挤压叶片，不是一般的材料，能在高空中承受强烈气流的冲击，还能进行挤压气流的操作，这些叶片还不会变形，具备的强度和韧性，以及抗压能力，重要的是能扛得住高温和高压，是非常厉害的。

因为飞机在高空飞行，空气的压力越大，气流冲进发动机经过叶片旋转和摩擦，要非常耐磨的叶片才行，而且发动机燃烧室的燃油燃烧时，达到大约一百度左右的温度。

喷出的空气会变成高温气流，发动机向外导出的气流温度也会随之升高，没有强悍的耐压和耐高温叶片，是无法担当保护飞机发动机重任的，所以就需要特殊材质才能制造这种叶片。

飞机发动机的挤压气流的叶片，是越往发动机里面，整个叶片的直径会越小，但是形成密集的十多层叶片排列，可以形成非常稳定的饿导流空气的效果，辅助发动机把冲进去的气流导出，从而形成向前飞进的推力。

目前最新的发动机风扇叶片是用复合材料制成的，这种复合材料主要是高温合金，能够抵御高速旋转产生的高温不会变形，还包有钛合金是为了保护发动机叶片不会在高速旋转中破裂和损伤，而且能够在维修当中方便进行更换。

在我国民航领域，多年来一直民航客机都是主要依靠进口，而我国自己还没有攻克飞机的研发建造和生产技术。大多数非都是从美国和法国等欧美国家进口到国内的，自然所有的飞机零部件都是由国外提供维修和更换。

但是我国科研工作者，始终没有停下自主研发的脚步，一方面我国的民航飞机在维持进口机型的使用，另一方面研发国产飞机的进程始终也在全力提升。

经过了多年的研发，我国目前终于能成功生产出国产民航飞机了，而且也解决了飞机发动机的叶片生产问题。

目前飞机发动机的叶片，主要是用铸造的方法进行生产的，主要采用高温合金铸造，而且由我国钢铁研究总院的高温材料研究所，经过研发后，提供高温合金，这种属于我国的专利技术了。

高温合金这种特殊金属，又叫作热强合金，能在高温环境，高压力条件下，在苛刻的工作标准下，还能按照设定要求保持正常工作状态的金属材料，这种高温合金，不仅耐氧化和耐腐蚀，还能应对复杂的疲劳环境，甚至能承受高达600度到1200度的高温而不会有任何变形和破损。高温合金的强度，耐拉钢断裂的韧性等，都是非常厉害的。

这种高温合金早在上个世纪初欧美就开始研发，到上世纪30年代开始应用在涡轮喷气发动机上，从而随之使用到航空飞机上面，从而成为飞机发动机叶片的核心材料，高温合金的分类多，还有多种制造工艺。

目前在航空发动机领域，高温合金的位置非常重要和特殊，在飞机发动机的最重要的耐热四个部件，燃烧室，涡轮叶片，涡轮盘和导向器，都必须要使用到高温合金，才能确保飞机发动机的正常工作，另外像飞机的转叶，尾喷口等部件也是需要高温合金，可以说飞机最重要的核心部件，都离不开这种特殊的金属来建造。

而高温合金的加工工艺也非常复杂和先进，就算是国际上很多国家也把这个生产技术当做机密，目前我国能生产高温合金的企业很少，而且产能和产量也非常低，主要就是供应民航飞机建造和军工领域使用。

“马赫”到底是什么意思？15马赫的速度飞一小时，能飞多少公里？

如何表达一个物体的速度，那么有时速、秒速这样的表现形式，让人们的脑海里有一个快慢的概念。

比如秒速5厘米，拿出手里的尺子就能一目了然。

但是，你听说过马赫吗？

战斗机飞行

不少人认为，马赫经常被用于描述战斗机，它应该是一种速度单位。

实际上，马赫不是速度单位，它是一种比值。

那么，我们经常听见的那些用马赫来描述的战斗机，速度都是多少呢？

战斗机的速度通常用马赫表示

马赫是一种物理学单位，表示某物体的速度与音速的比值，这个音速是指声音在空气中的传播速度340m/s。

比如1马赫就是音速，2马赫就是音速的两倍。

当然有的情况下，1马赫也不一定就一定是340m/s，因为声音在空气中的传播速度与压强、温度有着关系。

所有使用马赫作为单位的时候，一定要说明条件，比如标准大气压下。

声波的一种表达

马赫常被用于航空领域，这是因为在飞机突破音速飞行之前，一直存在着一个音障，又叫音速墙。

当时在进行飞机实验的时候，工程师们发现，飞机的速度越接近音速，那么它受到的阻力将会越大。

当速度达到音速时，就会像撞在一面墙上一样，因此得名音速墙，物理名叫音障。

如果速度超过音速，飞机的可控性变低，稳定性变差。更重要的是，飞机本身还会受到破坏。

飞行过程种的音障

起初工程师们认为这面音障无法突破，因为当时的材料无法承受音速飞行带来的巨大阻力，往往最终飞机散架。

不过随着材料技术的提升，超音速已经不再是梦想。

1947年，美国X-1战斗机实现了超音速飞行，之后的战斗机速度得到了提升，马赫也逐渐成为了航天领域的常用单位。

第一代超音速飞机X-1

其实马赫这个单位诞生的事件远比人类实现超音速飞行的事件早，它是物理学家恩斯特·马赫提出的。

在1929年被物理学界提议使用，作为速度的一种表现形式。

当速度达到2.5马赫的时候，就已经达到铝合金材料的极限，再快就会出现飞机解体。

如果速度达到3马赫，整个飞机本身因为与空气的摩擦会变成炙热的火球。

超音速飞行还会出现音爆，产生巨大的噪音，因此我们常看见战斗机的飞行训练，都是在远离城市的地方进行。

战斗机飞行

人类目前速度最快的飞机是美国的X-43战斗机，速度达到了9.8马赫，从美国的东海岸飞到西海岸仅需要半小时。

如果乘坐这样的飞机围绕地球飞行，需要3个多小时。

如果一架飞机以15马赫的速度飞行，它可以2个多小时就完成环球飞行，因为15马赫表示速度是4080m/s，换算成时速就是18376.2千米。

目前最快的飞机9.8马赫

不过15马赫只是科学家的预想，目前的极限还是9.8马赫。

有人就很好奇了，为什么不用我们都很熟悉的每小时多少公里，或者秒速多少，而是要使用马赫来表达速度呢？

这是因为马赫是速度与音速的比值，这样表达能够更直地看出速度与音速的关系，更能够方便快速计算出这个过程中需要的一些数据，比如音爆、阻尼等。

火箭发射

可就算是15马赫的飞机，也只能在地球上飞一飞，想要在太空中遨游，它的速度完全不够！

说到这里可能很多人会认为火箭发射的速度会比最快的飞机还要大。

实际上，最大的火箭推进器只有7马赫左右，普通的火箭也就只有2点几马赫。

我们在地球上发射火箭，也不是一开始就是第一宇宙速度，而是在升空过程中逐渐加速达到的。

会见推进器

这是因为火箭的发射方向与X-43有着差别，火箭是垂直地面起飞，而飞机是水平地面飞行。

前者的重量远超过了后者，它在克服空气阻力的时候，还得克服自身的重力。

并且火箭的续航能力比飞机强太多，可以依靠后期提速，但是战斗飞机就必须在短时间内达到极限速度，续航能力比较弱。

不过说了这么多，在光速面前，任何马赫的飞机，都是弟弟。

光速面前任何速度都是弟弟

要说速度界的老大，光速才是永远滴神，它是目前人类已知的最大速度。

咱们地球上的长度单位在宇宙中根本不够用，于是才有了光年。

根据爱因斯坦的相对论，如果一个物体的速度达到了光速，时空就会出现扭曲，那么它就拥有了回到过去的能力。

然而光速对于人类来说是可望而不可及的，人类只能利用加速器让粒子无限接近光速，却无法达到或超越光速。

粒子加速器

因为还是爱因斯坦，他推算出，当物体的速度等于光速的时候，质量就会变得无限大。

是的，物质的质量是会根据速度发生变化的，只不过在宏观环境下，这个变化无法察觉，因为人类目前的宏观速度太小了。

因此不少科学家认为，超光速飞行不可能实现，因为这代表物质会直接坍塌，理论上不会存在无限大的质量。

而且，就算达到了超光速，宇宙的距离又岂是那么容易达到的？

提到光速就不得不提爱因斯坦

假设一艘飞船的速度是光速，那么它前往我们最近的邻居比邻星的事件是4.3年。

而我们的银河系直径在10万光年，对于光速飞船来说是10万年，人如果在里面，除非永生，不然活不到那一天。

所以可以看出，即便是已知的最大速度，也无法跨越宇宙中的星辰大海。

马赫这样的物理量在宇宙中无法使用，因为宇宙是真空，没有所谓的音速。

光速也无法征服星辰大海

那么宇宙中是否存在比光速更快地存在呢？科学家们相信是有的，只是人类无法现在就发现。

实际上，我们对于宇宙的认识，很有可能没有自己想象得多。

想要完成星际穿梭，不一定非要让物体达到光速，即便是普通速度的飞行器，也能做到，只不过这里面需要一定的“工具”。

宇宙中存在着两种洞，一种叫做黑洞，这个大家很熟悉，就是什么都会吸进去，光也不例外。

另一个洞叫做虫洞，这是爱因斯坦他老人家在研究引力场的时候，捣鼓出来的一种假设。

人们想象的虫洞内部

爱因斯坦认为，质量会引发周围空间的凹陷，形成一定的场，他相信这些场之间会通过一种桥相互连接。

物质都可以通过这个桥到达另一个空间，这一个桥就是虫洞，又叫“爱因斯坦-罗森桥”。

这就好比没有桥的时候，渡河得撑船，速度慢不说，还受到了水流速度的影响，最终上岸的地方会偏离原计划地点。

可是如果在河面上建一座桥，那么就可以直接去往河对面，哪怕河流此时是滔天巨浪。

虫洞飞行

除了虫洞，还有一种技术很让科学家们心动，那就是空间折叠。

我们都知道两点之间线段最短，可是如果我们把线段对折，这样的距离就会直接减半。

同理，我们宇宙的某一个面看作是一张纸，地球就是纸上的一个点，将纸折叠，地球和其他星球的距离就会缩短。

多折几次，就会得到一个人类飞行器可以接受的距离，就算不是超光速飞船，也能实现去下一个星系。

空间折叠

当然，对于地球上的飞机来说，光速离我们太遥远，马赫对于人类在地球上的飞行就已经足够了。

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