歼-20超音速无敌，那么——什么叫做超音速？
昨天的文章《歼-20的鸭翼在超高速飞行的时候几乎没有丝毫用处》发现很多人确实是不了解什么是超音速，所以在文章中说前门楼子，大家都聊成了胯骨轴子……
要讲“歼-20超音速无敌”咱们就得先要科普，就得先破认知，今天聊聊超音速（超声速）。
这个问题有那么一点深，我们要从声速开始聊。声音的本质是一种在介质中传递的机械波。是能量在介质中传播的一种基本形式。
不过，固体中震动的机械波相当容易理解，但是在液体和气体中震动的机械波很多人就难以理解了。
在一些条件下，声音在水中的传播还是可以以水波纹的效果体现出来，但是无色无形的空气中声波的传播就更难观测了。
有研究表明声音的传递会使空气密度在微观层面周期性的变化。
但空气（气体）这个东西密度变化就代表着压力变化，因此也有人计算在地球表面是不可能存在大于194分贝的声音在空气中传播的。原因也就是因为能量导致空气被压缩，以至于压缩释放形成真空。
大于194分贝的声能难以在空气中直接传播，于是就形成了爆轰波边缘的真空区域。
声速的概念广义上是声音在介质上传播的速度，狭义微观上看就是一小块介质被压缩到极限后传递能量压缩和舒张的弹性势能的能量转化速度。这时候声速的概念就产生了，声速C为根号下不可压缩率B和密度ρ的比值：
当年牛顿按照这个公式计算出声音传播的速度是298米/秒。和现在的标准海平面声速的340.29米/秒有很大的差距。主要是考虑的是等温声音传播速度。温度升高等于气体内能增加也就等于气体的不可压缩增加、气体被压缩则代表着气体的温度增加……
即便是微观上由声波震动所带来的空气密度变化也带来了声速的变化，在考虑不等温声速的变化的之后，我们才能对声速有更精确的确定，也就是在海平面标准大气压下，15˚C的温度下声音传播的速度为340.29米/秒。
所以声速的公式又变为了这个样子：
回到声速的本质——声速是均一的介质不依靠外界能量传播机械能速度的最大极限。如果不理解就去想想前面咱们所提到的微观空气被压缩和扩展的过程。
由于这个式子参考了温度T，因此在标准热力学上计算空气的声速就有了速算的经验公式
标准大气压下干燥空气的声速C=331+0.6T。
当然了，你如果用相对论欧拉方程也是可以去计算声速的，只不过得写很多大家不爱看的公式推导了。
知道了声速，可以讲讲“歼-20超音速无敌”了吗？别急，你还得知道流体内的运动。
现在咱们说说在空气中运动的物体：
首先阻力是一个合力
一个物体在空气中运动所受到的阻力本质是压缩运动方向上的空气所造成的。从一个时间点上看物体的动能被转化为了它前面的气体内能，由于运动方向上的空气内能增加气压就会变得大，于是高气压的空气就会向低气压区域的空气泄压空气分子也就运动了起来，本质上空气阻力实际上是一个碰撞。
当然了，在运动物体的后部由于物体向前运动就让出了运动物体后部分的空间，这里还没来得及被空气填充，于是就形成了低压区。在其他空气分子没有挪过来形成常压的时候，这个物体就被前面的大气压力所施压，也形成了阻力的一部分。
其次，阻力能有多大？流体力学中的阻力早就被总结出公式了：
阻力FD和流体的密度ρ程正比，和相对速度v的平方成正比CD，A分别是阻力系数和物体的参考截面积。
一个飞行在空中的飞机，一般的情况下外形是不会改变（A没变化），飞得越快，所受到的阻力也就成平方的增长。
但可千万别忘了，阻力越大，你的截面上的空气所受到的压力也就越大。刚刚在谈到声速的时候提到了不可压缩率，也就是压到了那个点就相当于撞墙了。
这个墙就是“音障”，而且让人胆寒的一件事情是——音障是坚不可摧的也就是说超音速是不可能的！因此也没有任何物体可以超过音速在介质内运动。
不过，空气是流体，你在一个点上施压，它可以在另外的若干点上泄压。当压力大到一定程度的时候空气就“崩开”了，这就是激波。
问题来了——上面这架F-16超过音速了吗？从宏观上，F-16超过了它所在大气高度的音速，从微观上它并没有超过机头上被压缩行成激波爆发点的空气音速。原因是它前面的空气被极具压缩密度变大，音速也被变大了。
现在我们正式的说“超音速”飞行，马上说“歼-20超音速无敌”。
一般的战斗机飞行速度分为亚音速、跨音速、超音速三个领域
亚音速飞行是一般的战斗最常用的飞行状态，只需要解决机翼上下缘压力差的问题。
只要能保持在合适的攻角内机翼上缘的空气流速大压力小就可以获得升力。这时候流过机翼的空气还是我们熟悉的空气。
跨音速飞行的时候，事情就有变化，这时候飞机飞行速度足够快，激波还没形成，飞机受到的阻力极大。
但是空气依然被机翼弹开，而机翼的设计就是让机翼上面的气流加速。这时候一个有趣的现象就产生了：
随着飞行速度的增加，机翼上的气流不再贴着机翼表面流动，而是被机翼弹开形成激波。此时产生的激波在飞机速度没有达到音速就可以产生。因此我们甚至可以看到B-52这种典型的亚音速飞机也会产生“音爆云”
这只是表明飞机机翼上的气流速度已经形成激波，并不是说B-52可以达到音速。
空气都被机翼上表面大幅度弹开了，激波后面空气压力急剧降低。这时候飞机飞行也就获得了极大的跨音速升力。
再让发动机输出推力，飞机就可以超音速飞行了。
在进入超音速飞行的时候，空气就已经不是我们熟悉的空气了。
在飞行器周围形成了附面层，这层空气是因为飞行器在激波形成的时候排开的大部分的空气，仅剩下的一小层稀薄的空气由于粘滞效应附着在飞行器表面所产生的。
这层空气稀薄且不稳定，上世纪60-70年代的超音速战机设计历史其实上就是和附面层斗争的血泪史。
附面层对飞行实际上是有帮助的，这个后面说，但对发动机是有相当大的弊端的。
因此很多超音速战机都会把发动机进气道和机体之间进行隔离，形成一个缝隙。让发动机吸入干净的不受扰动的正常空气。F-4是这样子做的：
F-18也是这样：
即便是F-22还是如此：
当然了，还有更极端的设计，是忽视掉附面层，把超音速激波打到进气道内：
这个问题直到DSI进气道才真正解决，经过计算的曲面，可以消除附面层的影响：
在DSI技术上，咱们玩的更花咱们的进气道设计模型现在已经是很多研究机构重点研究的一个案例了，但今天讲超音速，这些事情找机会讲。
说回超音速飞行的问题。这张图咱们再重新看一遍：
为什么超过音速之后阻力（Drag）反常的随着飞行速度的提高而降低了呢？
流体阻力公式中不是随着运动速度的提高阻力成平方增加吗？怎么低了？还越来越离谱的低？
说个事情就很好理解了，你可以在游泳池里面高速的用手划下水，水满面会出现一个凹形，等过了一点点时间后水才被再次填平。空气也是一样，当激波产生后空气需要更长的时间才可以填充飞机所在的空间。这时候激波到飞机之间空气极其稀薄。
所以公式中虽然v增大了，但是空气密度ρ急剧下降。一架飞机可以说是除了产生激波的点外，大部分都在极低的气压（几近真空）下飞行。这种飞行虽然大幅度的降低了飞机飞行阻力，但也带来一个弊端：
飞机的升力和控制力基本上都不会再依靠机翼的截面了，而是依靠飞机机翼前缘的角度。
真正能让飞机在超音速飞行发挥作用的机翼有效区域不足机翼面积的1%。
因此早期超音速战斗机用了很薄的机翼，并且依靠机翼前缘来在超音速飞行的时候控制姿态。
例如F-104 机翼薄到了平时停放的时候需要加保护装置，以免切伤人员。
后来三角翼设计和大边条设计更加降低了主机在超音速飞行时候的作用。
尤其是咱们的歼-20，在进入超音速飞行的时候采用边条方案，
在整个超音速飞行过程中，鸭翼和主机基本上是不参与到空气动力上的，这时候我可以把高速飞行的歼-20理解为去掉主翼和鸭翼的机体——主翼和鸭翼其实大部分时间都被隐藏在激波内。
歼-20超音速无敌这句话怎么理解？
其实也并不是因为歼-20带有鸭翼而带来的高机动性，而是在合理的布局下歼-20有更好的加速特性。
加速？不是转弯吗？当然不是！
在美国先进战斗机计划提出的要求是——战斗机的巡航速度为 1.5 马赫，起飞滑跑仅为 2000 英尺，起飞总重量不超过 50,000 磅，作战半径超过 700 海里。该飞机能够在 30,000 英尺的高度以 1 马赫的速度执行 5g 的转弯，以 1.5 马赫的速度执行 6g 的转弯。在 10,000 英尺处，ATF 能够以 0.9 马赫的速度拉动高达 9 g 的瞬时转弯加速度负载，并且能够在 50,000 英尺的高度以 1.5 马赫的速度执行持续的 2 g 转弯。在海平面上，ATF 能够在 20 秒内从 0.6 马赫加速到 1.0 马赫。在 20,000 英尺或 30,000 英尺的高度，飞机能够在 50 秒内从 0.8 马赫加速到 1.8 马赫。
目前F-22 是可以达到这个目标的。
但真正的超音速机动，F-22在马赫1.5的速度下仅仅能够达到6G的转弯。这个转弯其实有和没有差别并不大。
原因说下：a=V²R ，也就是加速度=转弯半径乘以速度的平方。
6G的加速度这是一个已知量，马赫 1.5也是一个已知的数据，海拔30000英尺声速是303米/秒，知道这些，我们就可以计算出转弯半径了在这个状态下F-22的转弯半径为3513米。如果这架飞机进行一个180度掉头大约需要36.4秒，大约要飞11公里的路程。什么概念呢？
实际上在空战中超音速大G力转弯的意义并不大。大家在乘坐高铁的时候感觉高铁是不转弯的。实际上高铁也是有曲线轨道的，我们感觉不到转弯是因为高铁的转弯半径很大。设计时速220公里的轨道转弯半径大约就是3500米，也就是F-22在马赫 1.5 执行6G飞行机动的半径。这个半径如果放在长度只有18.92米的一架飞机上看，其实还是一条直线，和我们坐高铁转弯的感觉是一样的——似乎完全没有改变方向。
给大家一个等比例图：
但就这已经让6G的负载压在F-22的飞行员身上了——意义并不大。
我们的歼-20也是可以达到这个水准，但超音速6G机动由于范围太广也就失去了机动的意义。
我们所看到的F-22高过载机动其实都是在低速状态下完成的。
F-22的9G瞬时机动
这个水准其实歼-20也可以达到。
歼-20的9G瞬时机动
但是在超音速下，这种机动就由于时间过长而失去了意义。
所以说进入超音速天下无敌更多的就是加速特性。