浅析航空器速度

速度是衡量飞行器飞行状态的一个重要物理量，因此只有深刻理解飞机的速度概念，才有可能正确操控飞机。然而飞机作为一种非常高级和复杂的机械，对于“速度”这一概念的解释绝对不像汽车那么简单。计算飞机速度的方法有很多种，不同的环境下，不同的条件，飞行员所需要参考的速度也不尽相同。下面我就简单对飞行器使用的各种速度做一下解释。

注：以下内容部分译自维基百科

1.Indicated airspeed（指示空速）

Indicated airspeed（IAS），中文名“指示空速”，是直接从飞行器空速表上读出的速度（空速表是连接到皮托管与静压系统的仪器）。IAS与CAS（calibrated airspeed，校正空速）很相近，但是IAS数值包含了飞行器的仪表误差与姿态误差。

飞机的指示空速通常缩写为KIAS（意为Knots-Indicated Air Speed）。

IAS与V速度

除非飞机是处于海平面、国际标准大气压条件 (15°C, 1013 hPa, 湿度0%)并且无风的环境下，否则IAS对于衡量飞机相对于地面运动的速度而言作用是微乎其微的。然而由于气压和空气密度影响着IAS/TAS和飞机的飞机的气动性能，IAS和CAS对于操纵飞机而言是至关重要的数据，所以V速度的单位通常是IAS。

在无液气压计里，IAS随着气压的升高而降低。这一现象告诉我们一个显而易见的道理：IAS会随着高度的升高而降低。（译者注：高度越低，气压越低）基于这个原因，飞机的操作手册上，通常给出了在不同高度条件下的V_NE，高度升高，V_NE随之降低，如下表所示：

Diving below	m.p.h IAS
30,000 ft	370
25,000 ft	410
20,000 ft	450
10,000 ft	540

IAS与导航

在导航时，IAS需要换算为GS（Ground Speed，地速），以下是换算步骤：

将IAS修正为CAS，使用飞机专用的校正表；
将CAS换算为EAS（equivalent airspeed），扣除压缩效应带来的误差，在低速或低高度时非必须；
将EAS换算为TAS（True airspeed，真空速），扣除不同高度下由于Density Altitude（指校正为非标准温度下的气压高度）造成的误差；
再将TAS换算为GS，扣除风带来的误差。

随着GPS和其他高级导航装置的出现，飞行员可以直接从装置上读出地速，这种复杂的计算也就显得很不必要了。 原文：http://en.wikipedia.org/wiki/Indicated_airspeed

2.True airspeed（真空速）

真空速是飞机相对于空气分子移动的速度，也就是飞机速度和空气速度的矢量差。在无风和平飞的条件下，真空速与飞机相对于地面的速度相等。在有风的条件下,风的计算被用于推算风速以便从真空速中计算出地速，以及校正航向以用于维持特定的航迹。

飞机在从空速表上读出指示空速。在不同的空气密度下，指示空速与真空速是不同的。温度、湿度和高度都会对空气密度造成影响。操纵飞机时，失速速度、襟翼收放、起落架收放等限制速度都以KIAS为单位。然而，通过罗盘测航方式进行的精确导航（不需要长时间以地面为参考）需要经过扣除风带来的误差后的真空速。 原文：http://en.wikipedia.org/wiki/True_airspeed

3.Ground speed（地速）

地速是飞机相对于地面移动的速度。可以认为地速是真空速和当前风和气象条件的总合。逆风会降低地速，而顺风则会增加地速。其他角度的风会像侧风一样带来逆风或顺风的效果。从飞机的仪表上并不能直接看出当前的地速，因为空速表只能显示飞机在气团中移动的速度，由于风的作用，气团——作为空速的参照物，也可能在地面上空运动。因而需要一些额外的途径来显示飞机相对于地面上空的位置，才能测定地速。这些途径式可能是通过地标、无线电定位台、惯导或GPS来计算。当没有高级计算技术时，飞行员常用E6B飞行计算机计算地速。 原文： http://en.wikipedia.org/wiki/Ground_speed

4.Mach number （马赫数）

马赫数（Mach number，读作: [mæk], [mɑːk])是一种相对速度。它被定义为物体在流体介质中运动的速度，与在该介质中的音速的比值：

v_o/v_s

其中 v_o 是物体与流体介质的相对速度； v_s 是该介质中的音速。

换言之，就是指飞机速度除以音速。

马赫数一般用于物体在流体中高速运动的情况。因为它是两种速度的比值，因此马赫数是一种无量纲的量。在15摄氏度时，空气中的马赫数1相当于340.3 m·s⁻¹ (1,225 km·h⁻¹ 或 761.2 mph) 。马赫数不是一个常量，它取决于温度。

音速会随着温度的升高而升高，故物体在马赫数1运动时的实际速度取决于流体周围的温度。马赫数是非常重要的，因为马赫数能近似地反映出流体介质的性质。飞机在海平面高度以马赫数1巡航时会比在11,000米的高空 (36,000 ft)以Ma1巡航激起更大的激波。

高速飞行可以被分为以下几类：

音速：Ma=1
亚音速：Ma< 1
近音速：0.8 < Ma< 1.2
超音速：1.2 < Ma < 5
高超音速：Ma > 5

飞机接近音速飞行时，飞机周围的气流可以分为亚音速和超音速部分。当Ma>1的部分在物体周围出现时，物体就进入接近音速的状态。如果这是飞机的机翼，那么它通常发生在机翼上端。仅在普通的震波下，超音速部分气流就会减速到亚音速，这通常发生在机翼后缘的前方。（如下图）

随着速度的增加，Ma>1的部分就会往机翼前缘和后缘部分增加。随着速度达到和超过Ma1，普通的冲击波后移至机翼后缘，并且变成一股微弱的斜波，气流在震波中减速，但经减速后仍是超音速，而一股新的震波会在物体前方出现，原先亚音速气流部分区域会缩减到机翼前缘。（如下图）

Transsonic_flow_over_airfoil_1

当飞机速度超过Mach1（也就是音障）一股不同于先前的巨大压会出现在飞机前方。这种突然的压力被称为激波（shock wave），它分别向后方和外方呈锥形扩散（故称为马赫锥）,这种激波造成了引爆，也就是在高速飞行的飞机前面听到的那种爆音。飞机里面的人不会听到这个声音。速度越高，马赫锥就越细，当Ma=1时它根本不像是一个锥，反而更像一加苗条而有凹陷的飞机。

完全进入超音速后，激波会变成锥形，并且周围的气流也会全部进入超音速状态。但是对于头部比较钝的物体，在其头部与激波之间会有一小鼓亚音速气流。对于头部较尖的物体，在其头部与激波之间则不会有气流（因为激波就在头部产生）。

随着马赫数的增加，激波与马赫锥的强度的增加会显得越来越不明显。气流穿过激波时，它的速度会降低，但是其温度、压力、密度都会升高。激波越强，这种现象就越明显。当马赫数足够高时，气流的温度会升得很高，气体会在激波后分解、电离，这种气流被称为高超音速。

显而易见，任何物体在高超音速飞行时其头部的激波后方都会产生超高温气流，因此选择抗热材料是十分必要的。 原文： http://en.wikipedia.org/wiki/Mach_number

总结

指示空速、真空速、地速、马赫数是计量飞行器速度的重要物理量。当然，计算飞行器速度的物理量绝不仅仅是以上4种，CAS、EAS等物理量由于使用频率不高，重要性不如这几种物理量强，因此本文就不再赘述。

简单说来，IAS直接反映一架飞机的气动性能。飞机与大气分子相撞而产生升力，而指示空速最能反映这种相撞的剧烈程度，因而关于气动方面的操作，其物理量都是指示空速。GS通常用于飞机导航。前面已经很清楚地指出，指示空速会随着高度的变化而变化，马赫数也会由于温度的改变而改变，这两个量都不是常量。因此飞机到底能在地球上飞多块，是由地速决定的。马赫数通常用于高速飞行。现代大型民航客机通常在10000米以上的高空作亚音速巡航，在这种高度，飞机的速度从理论上来说很容易达到M1，但是由此带来的激波阻力很有可能给飞机带来致命损害。因此高空巡航的速度单位是马赫，这样飞行员就能清楚知道当前速度与音速的比值，避免飞行速度超过设定的上限。TAS通常被换算成地速，以用于导航。

Update(2007-8-1)：本文翻译部分来自Wikipedia.org，并以GFDL授权，并已贡献至中文维基百科。