超音速飛行的突破：湍流之謎揭曉

「超音速技術不僅將改變地球上的交通運輸方式，也將徹底改變近地軌道的運輸。」—— Nicholaus Parziale 教授

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#超音速飛行的願景：一小時橫跨大陸的夢想

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超音速飛行，指的是達到馬赫數 5 到 10 倍的速度，具有徹底改變全球旅行的潛力，可以將漫長的旅程縮短到現在所需時間的一小部分。想像一下，從雪梨到洛杉磯的旅程，不再需要 15 個小時的漫長飛行，而是只需短短 1 小時就能抵達。Nicholaus Parziale 教授強調了這項技術「縮小地球」的潛力，讓旅行「更快、更容易、更愉快」。雖然現有的軍用飛機已經可以達到馬赫數 2 到 3 的速度，但要實現超高速洲際旅行，則需要達到馬赫數 10。這不僅僅是一個科技夢想，而是人類對於速度極限的挑戰和對未來旅行方式的重新定義。

超音速飛行的挑戰：極端湍流與高溫

超音速飛行面臨的最大挑戰之一，是如何在高速度下管理產生的極端湍流和高溫。這需要對可壓縮氣流有深入的理解。在較低（不可壓縮）速度和較高（可壓縮）速度下，空氣的行為是不同的。在低速下，空氣密度變化不大，我們可以近似地將其視為不可壓縮流體。然而，當速度接近甚至超過音速時，空氣密度會顯著變化，這時空氣的可壓縮性就會對升力、阻力和推力產生重大影響，而這些因素對於飛機設計至關重要。因此，理解馬赫數 5 到 10 的氣流行為至關重要，特別是與相對較為人所熟知的「低馬赫數」流動狀態相比。這就好比我們過去熟悉的水性，突然變成了黏稠且難以駕馭的液體，需要重新學習如何控制和利用它。

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#Morkovin 假設：簡化超音速飛機設計的關鍵

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Morkovin 假設提出，在超音速（馬赫數 5 到 6）下的湍流，其基本性質與較低速度下的湍流驚人地相似，這將大大簡化飛機設計。如果這個假設是正確的，那麼我們現有的湍流理解就可以直接應用於超音速飛行。Parziale 教授表示：「低速和高速時，湍流空氣的運動方式並沒有太大的不同……我們可以像處理較慢的流動一樣，使用相同的概念。」換句話說，Morkovin 假設就像是一個「轉換器」，讓我們能將過去在低速飛行領域的知識，直接應用到全新的超音速飛行領域。然而，在 Parziale 教授的最新研究之前，這個假設一直缺乏可靠的實驗驗證。

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#實驗突破：雷射與氪氣揭示湍流真相

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Parziale 教授的團隊進行了一項開創性的實驗，他們在風洞中使用雷射和氪氣，以可視化的方式分析馬赫數 6 的湍流。他們用雷射將氪氣離子化，產生發光的線條，並以高解析度捕捉這些線條的變形。這個歷時 11 年研發的實驗，最終證實了馬赫數 6 的湍流行為與不可壓縮流非常接近。這項名為「Hypersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin’s Hypothesis」的研究發表在《自然通訊》(Nature Communications) 期刊上。這個實驗的成功，就好比在黑暗中點亮了一盞明燈，讓我們得以清晰地觀察超音速湍流的真實面貌，為未來的飛機設計提供了重要的參考依據。

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#簡化設計：降低超音速飛行的計算需求

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這項研究為 Morkovin 假設提供了有力的支持，這意味著工程師可能不需要為了超音速條件而徹底重新設計飛機，從而顯著簡化了開發過程。基於 Morkovin 假設進行簡化，可以降低飛機設計中的計算需求。Parziale 教授指出：「Morkovin 假設允許我們做出簡化假設，從而使設計超音速飛行器的計算需求變得更加可行。」這就好比在複雜的拼圖遊戲中找到了一塊關鍵的拼圖，讓我們得以更快速、更有效地完成整個設計。這項研究的早期支持來自美國空軍科學研究辦公室和海軍研究辦公室。

太空運輸的革命：超音速飛機開啟太空旅行新紀元

超音速技術可以通過開發可重複使用的超音速飛機，實現更容易、更便宜的低地球軌道運輸，從而徹底改變太空進入的方式。超音速飛機有可能取代火箭進行太空旅行。Parziale 教授認為：「這將不僅僅是地球上交通運輸方式的變革，也將徹底改變近地軌道的運輸。」目前，太空進入主要依賴昂貴且效率較低的火箭發射。超音速飛機的出現，將如同當年飛機取代輪船一樣，將太空旅行帶入一個全新的時代，讓更多的人有機會探索宇宙的奧秘。這項研究不僅僅是學術上的突破，更是對於未來人類生活方式的一次大膽預測和積極探索。

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Stevens Institute of Technology. (2025, November 14). Hypersonic breakthrough
could enable planes that fly 10 times the speed of sound. ScienceDaily.
Retrieved November 14, 2025 from www.sciencedaily.com/releases/2025/11/
251114091854.htm\n—\n Story Source:
Materials provided by Stevens Institute of Technology. Note: Content may be edited for style and length.