如果您想快速到达某个地方，超音速飞行是绝佳的选择。事实上，协和式飞机可以在不到三个半小时的时间内将您从纽约送至伦敦，速度是传统现代客机的两倍多。然而，尽管速度很快，但由于噪音问题，超音速客运服务从未真正实现可持续发展。音爆的干扰意味着陆地上的超音速飞行几乎被普遍禁止。这严格限制了超音速客机的可用航线，从而也限制了其经济可行性。
解决这个问题一直以来都是热门的研究课题。现在，似乎有一种方法可以利用地球大气层的巧妙变化，实现陆地上的超音速飞行。
音爆的问题
协和式飞机——速度惊人，噪音也大到令人咋舌。图片来源：Eduard Marmet，CC BY SA 3.0
超音速客机最初设想时，音爆问题就已为人所知，但当时人们认为这只是个小问题。不幸的是，舆论很快就表明事实并非如此。随着科研和军用飞机开始突破音障，由此产生的音爆在人口稠密地区引发了广泛的投诉，在某些情况下甚至造成了财产损失。
随着协和式飞机的研发，人们一直寄予厚望，认为这个问题并非无法克服。1969年，英国飞机公司指出，“预计其音爆不会令绝大多数公众无法接受”。然而，面对广泛的抗议和反对，最终的结局已成定局。世界上第一架超音速客机将受到相关法规的束缚，几乎只能在开阔水域使用2马赫的“派对技巧”。
1 马赫音爆形成演示。图片来源：Jacob Bertolotti， CC0
到20世纪70年代协和式飞机首次投入运营时，音爆已为人们所熟知。飞机在空中飞行，就像船在水中行驶时发出的船首和船尾波浪。当飞机接近音障时，飞机发出的压力波会越来越接近。在1马赫的速度下，它们会有效碰撞，形成一个单一的巨大激波。随着速度的增加，会形成一个特征性的激波锥，其顶点位于飞机机头。
对于地面上的静止观察者来说，经过的冲击波会呈现出快速、大幅的压力上升，随后出现显著的负压，最终恢复正常。这被称为“N波”，因为音爆在绘制时呈现出的特征形状。
音爆的特征N波。图片来源：NASA，公共领域
正压峰值和随后的负压峰值形成了观察员听到的“双爆”。音爆产生的超压足以造成轻微损坏，例如震碎飞行路径下方建筑物的玻璃窗。
巨大的噪音通常还会对受影响区域的人们造成极大的困扰。当飞机在高空飞行时，会产生令人不适的音爆，该音爆会覆盖飞行路径下方的大片区域（具体取决于飞行高度），并且只要飞机的飞行速度超过音障，音爆就会持续存在。因此，受影响的区域通常被称为“音爆地毯”。
弯曲吊杆
如果工程师能够降低音爆的音量或以其他方式改变其方向，陆地上的超音速飞行将不再面临公众或监管机构的反对。因此，人们开展了大量研究，以寻找减轻或消除高速飞行飞机产生的音爆的方法。
一个特别有前景的研究领域涉及“马赫截止”理论。该理论认为，可以利用地球大气的特性，将音爆的压力波重新定向，使其远离地面。
马赫截止效应利用大气本身将音爆折射至远离地面。图片来源： Boom Supersonic
音爆实际上只是一种强大的压力波，因此，像任何波一样，它会发生折射。当波以不同的速度穿过不同的介质时，其路径会发生弯曲。例如，光波在空气和水中传播时会发生弯曲，因为光在这两种介质中的传播速度不同。声音在不同温度的空气中传播也是如此。在较低的海拔高度，空气通常较热，声音传播速度较快。在较高的海拔高度，空气较冷，声音传播速度较慢。因此，当压力波从高空飞机向下传播时，它们会到达较热的空气并发生折射，趋向于远离地面弯曲。马赫截止效应背后的理念是找到一种条件组合，使音爆发生折射，使其永远不会撞击地面。马赫截止本身指的是临界高度，低于该高度时，音爆实际上听不到。
用于测试马赫截止效应的Boom XB-1测试飞机。图片来源：Boom Supersonic
这项技术一直是 Boom Technology 公司的研发重点，该公司的目标是恢复超音速航空旅行。该公司与 NASA 合作，一直在对其 Boom XB-1 测试飞机进行测试。今年早些时候，该公司成功实现了超音速飞行，音爆没有到达地面。飞行路径下方的麦克风阵列证实了这一点，它们证实 XB-1 在多次飞越上空时，没有出现特征性的 N 波或压力尖峰撞击地面。在二月份的试飞中，该公司的测试飞机达到了 1.12 马赫的最高速度，而没有音爆撞击地面。该公司希望利用这些测试的经验来指导全尺寸超音速客机 Boom Overture 的研发。
在马赫截止高度以下，音爆产生的N波压力峰值实际上感觉不到。然而，仍然有由“衰减波”引起的声音特征。关于这些波在马赫截止高度“阴影区”的影响的研究仍在进行中。图片来源： NASA论文
然而，使用马赫截止技术并非陆地超音速飞行的完美解决方案。问题在于它高度依赖于环境条件。当地的温度、气压和盛行风都会影响当地的马赫截止高度。因此，要以这种方式进行超音速飞行，需要一个能够监测当地条件并将飞机飞行参数保持在可能实现马赫截止区域的飞行系统。NASA的研究也表明，在极高的速度下无法利用这一现象。超过1.3马赫时，实际上不可能将音爆折射到足以使其避开地面的高度。
NASA利用纹影成像技术，将XB-1在超音速飞行中产生的冲击波可视化。图片来源：NASA/Boom Supersonic
这些因素意味着，即使利用马赫数截止值，陆地上的超音速飞行也会受到一些限制。大多数商用客机的飞行速度为0.75到0.85马赫。Boom设想的未来客机在陆地上的最高速度可能达到1.3马赫，以避免音爆撞击地面。这仍然会带来显著的速度提升——但可能只会将陆路航线的飞行时间缩短40%到50%。Boom预计，它可以在3小时30分钟内从旧金山飞往纽约，而目前的标准客机则需要5个多小时。
由于高速飞行时会产生额外的阻力，预计超音速飞行时的燃油消耗也会非常高。也有理由相信，不同的航线可能会面临截然不同的状况。
宾夕法尼亚大学的一项研究利用大气数据得出，由于美国本土的典型天气状况及其对当地音速的影响，飞越美国大陆的西行航班的最大马赫截止速度远高于东行航班。无论如何，Boom航空仍计划确保其客机在无噪音的情况下能够达到1.7马赫的速度，这将使其至少与协和式飞机在公海上飞行时2.04马赫的最高速度相当。
就超音速客运而言，前景比以往任何时候都更加光明。现在有一种潜在可行的技术，可以让客机在人口稠密地区以超音速飞行。然而，如果我们想再次看到超音速运输投入运营，其经济性和实用性仍需进一步考量。
原文： https://hackaday.com/2025/07/16/mach-cutoff-bending-the-sonic-boom/