殲-20超音速無敵，那麼——什麼叫做超音速？
昨天的文章《殲-20的鴨翼在超高速飛行的時候幾乎沒有絲毫用處》發現很多人確實是不瞭解什麼是超音速，所以在文章中說前門樓子，大家都聊成了胯骨軸子……
要講“殲-20超音速無敵”咱們就得先要科普，就得先破認知，今天聊聊超音速（超聲速）。
這個問題有那麼一點深，我們要從聲速開始聊。聲音的本質是一種在介質中傳遞的機械波。是能量在介質中傳播的一種基本形式。
不過，固體中震動的機械波相當容易理解，但是在液體和氣體中震動的機械波很多人就難以理解了。
在一些條件下，聲音在水中的傳播還是可以以水波紋的效果體現出來，但是無色無形的空氣中聲波的傳播就更難觀測了。
有研究表明聲音的傳遞會使空氣密度在微觀層面週期性的變化。
但空氣（氣體）這個東西密度變化就代表着壓力變化，因此也有人計算在地球表面是不可能存在大於194分貝的聲音在空氣中傳播的。原因也就是因爲能量導致空氣被壓縮，以至於壓縮釋放形成真空。
大於194分貝的聲能難以在空氣中直接傳播，於是就形成了爆轟波邊緣的真空區域。
聲速的概念廣義上是聲音在介質上傳播的速度，狹義微觀上看就是一小塊介質被壓縮到極限後傳遞能量壓縮和舒張的彈性勢能的能量轉化速度。這時候聲速的概念就產生了，聲速C爲根號下不可壓縮率B和密度ρ的比值：
當年牛頓按照這個公式計算出聲音傳播的速度是298米/秒。和現在的標準海平面聲速的340.29米/秒有很大的差距。主要是考慮的是等溫聲音傳播速度。溫度升高等於氣體內能增加也就等於氣體的不可壓縮增加、氣體被壓縮則代表着氣體的溫度增加……
即便是微觀上由聲波震動所帶來的空氣密度變化也帶來了聲速的變化，在考慮不等溫聲速的變化的之後，我們才能對聲速有更精確的確定，也就是在海平面標準大氣壓下，15˚C的溫度下聲音傳播的速度爲340.29米/秒。
所以聲速的公式又變爲了這個樣子：
回到聲速的本質——聲速是均一的介質不依靠外界能量傳播機械能速度的最大極限。如果不理解就去想想前面咱們所提到的微觀空氣被壓縮和擴展的過程。
由於這個式子參考了溫度T，因此在標準熱力學上計算空氣的聲速就有了速算的經驗公式
標準大氣壓下乾燥空氣的聲速C=331+0.6T。
當然了，你如果用相對論歐拉方程也是可以去計算聲速的，只不過得寫很多大家不愛看的公式推導了。
知道了聲速，可以講講“殲-20超音速無敵”了嗎？別急，你還得知道流體內的運動。
現在咱們說說在空氣中運動的物體：
首先阻力是一個合力
一個物體在空氣中運動所受到的阻力本質是壓縮運動方向上的空氣所造成的。從一個時間點上看物體的動能被轉化爲了它前面的氣體內能，由於運動方向上的空氣內能增加氣壓就會變得大，於是高氣壓的空氣就會向低氣壓區域的空氣泄壓空氣分子也就運動了起來，本質上空氣阻力實際上是一個碰撞。
當然了，在運動物體的後部由於物體向前運動就讓出了運動物體後部分的空間，這裡還沒來得及被空氣填充，於是就形成了低壓區。在其他空氣分子沒有挪過來形成常壓的時候，這個物體就被前面的大氣壓力所施壓，也形成了阻力的一部分。
其次，阻力能有多大？流體力學中的阻力早就被總結出公式了：
阻力FD和流體的密度ρ程正比，和相對速度v的平方成正比CD，A分別是阻力系數和物體的參考截面積。
一個飛行在空中的飛機，一般的情況下外形是不會改變（A沒變化），飛得越快，所受到的阻力也就成平方的增長。
但可千萬別忘了，阻力越大，你的截面上的空氣所受到的壓力也就越大。剛剛在談到聲速的時候提到了不可壓縮率，也就是壓到了那個點就相當於撞牆了。
這個牆就是“音障”，而且讓人膽寒的一件事情是——音障是堅不可摧的也就是說超音速是不可能的！因此也沒有任何物體可以超過音速在介質內運動。
不過，空氣是流體，你在一個點上施壓，它可以在另外的若干點上泄壓。當壓力大到一定程度的時候空氣就“崩開”了，這就是激波。
問題來了——上面這架F-16超過音速了嗎？從宏觀上，F-16超過了它所在大氣高度的音速，從微觀上它並沒有超過機頭上被壓縮行成激波爆發點的空氣音速。原因是它前面的空氣被極具壓縮密度變大，音速也被變大了。
現在我們正式的說“超音速”飛行，馬上說“殲-20超音速無敵”。
一般的戰鬥機飛行速度分爲亞音速、跨音速、超音速三個領域
亞音速飛行是一般的戰鬥最常用的飛行狀態，只需要解決機翼上下緣壓力差的問題。
只要能保持在合適的攻角內機翼上緣的空氣流速大壓力小就可以獲得升力。這時候流過機翼的空氣還是我們熟悉的空氣。
跨音速飛行的時候，事情就有變化，這時候飛機飛行速度足夠快，激波還沒形成，飛機受到的阻力極大。
但是空氣依然被機翼彈開，而機翼的設計就是讓機翼上面的氣流加速。這時候一個有趣的現象就產生了：
隨着飛行速度的增加，機翼上的氣流不再貼着機翼表面流動，而是被機翼彈開形成激波。此時產生的激波在飛機速度沒有達到音速就可以產生。因此我們甚至可以看到B-52這種典型的亞音速飛機也會產生“音爆雲”
這只是表明飛機機翼上的氣流速度已經形成激波，並不是說B-52可以達到音速。
空氣都被機翼上表面大幅度彈開了，激波後面空氣壓力急劇降低。這時候飛機飛行也就獲得了極大的跨音速升力。
再讓發動機輸出推力，飛機就可以超音速飛行了。
在進入超音速飛行的時候，空氣就已經不是我們熟悉的空氣了。
在飛行器周圍形成了附面層，這層空氣是因爲飛行器在激波形成的時候排開的大部分的空氣，僅剩下的一小層稀薄的空氣由於粘滯效應附着在飛行器表面所產生的。
這層空氣稀薄且不穩定，上世紀60-70年代的超音速戰機設計歷史其實上就是和附面層鬥爭的血淚史。
附面層對飛行實際上是有幫助的，這個後面說，但對發動機是有相當大的弊端的。
因此很多超音速戰機都會把發動機進氣道和機體之間進行隔離，形成一個縫隙。讓發動機吸入乾淨的不受擾動的正常空氣。F-4是這樣子做的：
F-18也是這樣：
即便是F-22還是如此：
當然了，還有更極端的設計，是忽視掉附面層，把超音速激波打到進氣道內：
這個問題直到DSI進氣道才真正解決，經過計算的曲面，可以消除附面層的影響：
在DSI技術上，咱們玩的更花咱們的進氣道設計模型現在已經是很多研究機構重點研究的一個案例了，但今天講超音速，這些事情找機會講。
說回超音速飛行的問題。這張圖咱們再重新看一遍：
爲什麼超過音速之後阻力（Drag）反常的隨着飛行速度的提高而降低了呢？
流體阻力公式中不是隨着運動速度的提高阻力成平方增加嗎？怎麼低了？還越來越離譜的低？
說個事情就很好理解了，你可以在游泳池裡面高速的用手劃下水，水滿面會出現一個凹形，等過了一點點時間後水才被再次填平。空氣也是一樣，當激波產生後空氣需要更長的時間纔可以填充飛機所在的空間。這時候激波到飛機之間空氣極其稀薄。
所以公式中雖然v增大了，但是空氣密度ρ急劇下降。一架飛機可以說是除了產生激波的點外，大部分都在極低的氣壓（幾近真空）下飛行。這種飛行雖然大幅度的降低了飛機飛行阻力，但也帶來一個弊端：
飛機的升力和控制力基本上都不會再依靠機翼的截面了，而是依靠飛機機翼前緣的角度。
真正能讓飛機在超音速飛行發揮作用的機翼有效區域不足機翼面積的1%。
因此早期超音速戰鬥機用了很薄的機翼，並且依靠機翼前緣來在超音速飛行的時候控制姿態。
例如F-104 機翼薄到了平時停放的時候需要加保護裝置，以免切傷人員。
後來三角翼設計和大邊條設計更加降低了主機在超音速飛行時候的作用。
尤其是咱們的殲-20，在進入超音速飛行的時候採用邊條方案，
在整個超音速飛行過程中，鴨翼和主機基本上是不參與到空氣動力上的，這時候我可以把高速飛行的殲-20理解爲去掉主翼和鴨翼的機體——主翼和鴨翼其實大部分時間都被隱藏在激波內。
殲-20超音速無敵這句話怎麼理解？
其實也並不是因爲殲-20帶有鴨翼而帶來的高機動性，而是在合理的佈局下殲-20有更好的加速特性。
加速？不是轉彎嗎？當然不是！
在美國先進戰鬥機計劃提出的要求是——戰鬥機的巡航速度爲 1.5 馬赫，起飛滑跑僅爲 2000 英尺，起飛總重量不超過 50,000 磅，作戰半徑超過 700 海里。該飛機能夠在 30,000 英尺的高度以 1 馬赫的速度執行 5g 的轉彎，以 1.5 馬赫的速度執行 6g 的轉彎。在 10,000 英尺處，ATF 能夠以 0.9 馬赫的速度拉動高達 9 g 的瞬時轉彎加速度負載，並且能夠在 50,000 英尺的高度以 1.5 馬赫的速度執行持續的 2 g 轉彎。在海平面上，ATF 能夠在 20 秒內從 0.6 馬赫加速到 1.0 馬赫。在 20,000 英尺或 30,000 英尺的高度，飛機能夠在 50 秒內從 0.8 馬赫加速到 1.8 馬赫。
目前F-22 是可以達到這個目標的。
但真正的超音速機動，F-22在馬赫1.5的速度下僅僅能夠達到6G的轉彎。這個轉彎其實有和沒有差別並不大。
原因說下：a=V²R ，也就是加速度=轉彎半徑乘以速度的平方。
6G的加速度這是一個已知量，馬赫 1.5也是一個已知的數據，海拔30000英尺聲速是303米/秒，知道這些，我們就可以計算出轉彎半徑了在這個狀態下F-22的轉彎半徑爲3513米。如果這架飛機進行一個180度掉頭大約需要36.4秒，大約要飛11公里的路程。什麼概念呢？
實際上在空戰中超音速大G力轉彎的意義並不大。大家在乘坐高鐵的時候感覺高鐵是不轉彎的。實際上高鐵也是有曲線軌道的，我們感覺不到轉彎是因爲高鐵的轉彎半徑很大。設計時速220公里的軌道轉彎半徑大約就是3500米，也就是F-22在馬赫 1.5 執行6G飛行機動的半徑。這個半徑如果放在長度只有18.92米的一架飛機上看，其實還是一條直線，和我們坐高鐵轉彎的感覺是一樣的——似乎完全沒有改變方向。
給大家一個等比例圖：
但就這已經讓6G的負載壓在F-22的飛行員身上了——意義並不大。
我們的殲-20也是可以達到這個水準，但超音速6G機動由於範圍太廣也就失去了機動的意義。
我們所看到的F-22高過載機動其實都是在低速狀態下完成的。
F-22的9G瞬時機動
這個水準其實殲-20也可以達到。
殲-20的9G瞬時機動
但是在超音速下，這種機動就由於時間過長而失去了意義。
所以說進入超音速天下無敵更多的就是加速特性。