超音速新突破：飞机速度可达音速10倍

“这真的能让地球‘变小’。”尼科劳斯·帕齐亚莱教授表示，他的研究核心是将高超音速旅行从愿景变为现实。帕齐亚莱教授近期因在极端速度流体力学研究方面的成就，获得了总统早期职业科学家与工程师奖。“它将让旅行更快、更便捷、更舒适。”

10马赫飞行的挑战
一小时内环游半个地球看似不可能，但这项技术并非遥不可及。一些军用飞机已能达到2马赫或3马赫（即音速的2倍或3倍），1马赫约为760英里/小时。若要在60分钟内从洛杉矶飞抵悉尼，飞行器需达到10马赫。其主要障碍是在这种极端速度下飞行时产生的剧烈湍流和高温。

低速和高速飞行时，飞机周围空气的运动方式存在根本差异。工程师将这两种情况称为不可压缩流动和可压缩流动。不可压缩流动发生在低速时（约0.3马赫以下，即225英里/小时以下），此时空气密度几乎保持不变，这种稳定性简化了航空设计。一旦飞机速度超过音速，气流就变为可压缩的。“这是因为气体可以‘被挤压’，”帕齐亚莱解释道，意思是气体能够被压缩。

气流特性对高超音速设计的重要性
当空气被压缩时，其密度会随压力和温度的变化而改变。这些变化会影响飞机与周围空气的相互作用。“可压缩性会影响气流绕机体的流动方式，进而改变升力、阻力以及起飞或维持飞行所需的推力等，”而所有这些因素在飞机设计中都起着关键作用。

工程师们对亚音速或近音速（即“低马赫数”范围）飞行的飞机气流特性已有较深入的了解。而制造高超音速飞机则需要更深入地理解空气在5马赫、6马赫甚至10马赫时的行为。除了莫尔科文假设提供的指导外，许多此类行为仍不明确。

莫尔科文假设与高超音速湍流之谜
该假设由马克·莫尔科文在20世纪中期提出，认为当空气以5马赫或6马赫左右的速度流动时，湍流的基本性质与低速时惊人地相似。尽管高速气流涉及更大的温度和密度变化，但莫尔科文认为湍流运动的总体模式基本保持一致。“简单来说，莫尔科文假设意味着低速和高速下湍流空气的运动方式并没有太大不同，”帕齐亚莱说，“如果该假设正确，就意味着我们不需要用全新的方法来理解这些高速下的湍流，可以沿用研究低速流动时的概念。”这也表明，未来的高超音速飞机可能不需要完全不同的设计理念。

尽管莫尔科文假设很重要，但一直缺乏确凿的实验验证。这一空白促使帕齐亚莱开展了近期的研究，其成果《支持莫尔科文假设的高超音速湍流特性》于2025年11月12日发表在《自然·通讯》上。

历时11年的激光与氪气实验
在这项研究中，帕齐亚莱团队将氪气引入风洞，并用激光将其电离。这一过程短暂地形成了一条由氪原子组成的笔直发光线。然后，高速摄像机捕捉到这条发光线在气流中移动时如何弯曲、扭曲和变形，就像一片叶子在河流的小漩涡中漂移旋转一样。“当这条线随气体移动时，你可以看到气流中的褶皱和结构，从中我们能了解到很多关于湍流的信息，”帕齐亚莱说。他指出，搭建这个实验装置花费了11年时间。“我们发现，在6马赫下，湍流行为与不可压缩流动非常接近。”

帕齐亚莱团队在2016年获得了美国空军科学研究办公室青年研究员计划（YIP）的早期支持，2020年又获得了海军研究办公室（ONR）青年研究员计划的支持，最新研究也由ONR资助。

研究成果对未来飞行和太空进入的意义
尽管莫尔科文假设尚未完全证实，但新的研究结果让科学家们更接近理解如何设计能承受高超音速的飞机。研究表明，工程师可能不需要为这些极端条件彻底重塑飞机设计的基本方法，这大大简化了挑战。

“如今，我们必须用计算机设计飞机，而要设计一架能以6马赫飞行的飞机，模拟所有微小精细的细节在计算资源上是不可能的，”帕齐亚莱解释道，“莫尔科文假设让我们可以做出简化假设，从而使高超音速飞行器设计的计算需求变得更可行。”

帕齐亚莱补充说，同样的原理可能会改变未来的太空进入方式。“如果我们能制造出高超音速飞机，我们也可以让它们飞入太空，而不是发射火箭，这将使往返近地轨道的运输更加容易，”他说，“这不仅会改变地球上的交通，也会改变近地轨道的交通，带来革命性变化。”