如果實現，高超音速飛行將極大地改變國際旅行。今天需要一整天的路程可能會變得很短。這不會比一部長電影更長。悉尼至洛杉磯等航線目前需要約 15 小時，可能會縮短至僅需 1 小時。
“這確實讓地球縮小了，”尼古拉斯·帕齊亞萊教授說，他的工作重點是將高超音速旅行從雄心壯志變成現實。帕齊亞萊最近獲得了針對科學家和工程師的總統早期職業獎。基於他在超高速流體力學方面的研究工作。 “這將使旅行更快、更輕鬆、更愉快。”
以 10 馬赫飛行的挑戰
在短短一小時內走遍半個地球似乎是不可能的。但科技並不像你想像的那麼遙遠。一些軍用飛機的速度已達到2馬赫或3馬赫，這意味著音速的兩到三倍。 1 馬赫大約等於 760 英里/小時。六十分鐘內從洛杉磯到悉尼？飛機的速度必須達到 10 馬赫。主要障礙是在這些最高速度飛行期間產生的異常湍流和熱量。
飛機低速時周圍空氣的行為與高速時空氣的行為之間存在根本差異。工程師將這些條件描述為不可壓縮流和可壓縮流。在以較低速度（低於約 0.3 馬赫或 225 英里/小時）發生的不可壓縮流中，空氣密度保持不變。這種一致性使得飛行設計變得更加容易。當飛機的運動速度超過音速時，氣流就會被壓縮。 “那是因為氣體是‘可壓縮的’，”Parziale 解釋道，這意味著它可以被壓縮。
為什麼氣流行為對於高超音速設計很重要？
當空氣被壓縮時，空氣的密度隨著壓力和溫度的變化而變化。這些變化會影響飛機與周圍空氣的相互作用。 “壓縮能力會影響整個身體的氣流。它可以改變起飛或停留在空中所需的升力、阻力和推力等。”所有這些因素在飛機設計中都發揮著關鍵作用。
工程師們已經非常了解以低於或接近音速飛行的飛機的氣流。這是一個被稱為“低馬赫”數的範圍。建造超音速飛機需要更深入地了解空氣在 5 馬赫、6 馬赫甚至 10 馬赫時的行為。其中大部分行為都是不確定的。除了莫爾科文的假設所給出的建議之外。
莫爾科文的假設和超音速湍流之謎
這一假說由馬克·莫爾科文 (Mark Morkovin) 在 20 世紀中葉提出，提出當空氣以 5 馬赫或 6 馬赫左右運動時，湍流的基本特徵與較低速度下的湍流驚人地相似。儘管高速氣流與較大的溫度和密度變化相關，但莫爾科文認為湍流運動的一般模式在很大程度上保持均勻。 “基本上。莫爾科文的假設意味著湍流空氣在低速和高速下的移動方式並沒有太大不同，”帕齊亞萊說。 “如果假設是正確的，這意味著我們不需要一種新的方法來理解高速湍流。我們可以應用與較慢水流相同的概念。”它還表明未來的高超音速飛機可能不需要完全不同的設計理念。
儘管它很重要，但該假設仍然缺乏可靠的實驗驗證。這一差距導致 Parziale 的最新研究（在他的研究《高超音速湍流量》中描述）支持了 Morkovin 的假設，該假設發表於 2025 年 11 月 12 日《自然通訊》雜誌上。
激光和氪實驗花了 11 年時間才完成。
在這項研究中，Parziale 的團隊將氪氣放入風洞中，並使用激光將其電離。這個過程會產生由氪原子短暫形成的發光線。然後，高分辨率攝像機記錄下這條發光線在氣流中移動時如何彎曲、扭轉和扭曲。這類似於樹葉隨著氣體移動而在河流的微小漩渦中漂浮和旋轉。 Parziale 說：“你可以看到流動中的皺紋和結構，從那裡我們可以學到很多關於湍流的知識。”他指出，開發實驗裝置花了 11 年的時間，“我們發現，在 6 馬赫時，湍流的行為與不可壓縮流的行為非常相似。”
Parziale 的團隊於 2016 年獲得了空軍青年科學研究辦公室 (YIP) 的支持，並於 2020 年獲得了海軍研究辦公室 (ONR) YIP 的支持，最近的工作也得到了 ONR 的資助。
這些發現對未來航空和進入太空意味著什麼？
儘管莫爾科文的假設尚未得到充分證明，但新結果有助於科學家了解如何設計能夠承受更高超音速速度的飛機。研究結果表明，工程師可能不需要針對這些極端條件重新發明飛機設計的基本方法。這使得挑戰變得更加容易。
“今天，我們必須使用計算機來設計飛機。Parziale 解釋說：“由於可用於設計飛行速度為 6 馬赫的飛機的大量空間和計算資源，模擬所有微小細節是不可能的。這樣才能更好地滿足設計高超音速飛行器的計算需求。 ”
帕齊亞萊補充說，這些相同的原則可能會改變未來進入太空的方式。 “如果我們能夠建造一架能夠以超音速飛行的飛機，我們就可以將它們送入太空。這將使往返近地軌道的運輸變得更加容易，而不是發射火箭，”他說。 “這不僅會改變地球交通的遊戲規則，而且也會改變低軌道交通的遊戲規則。”
