为什么没有体积比较小的超音速飞行器或交通工具?
你这个问题问得很有意思，也触及到了很多航空航天工程设计的核心难点。很多人可能觉得，既然我们能造出像协和式飞机这样庞大的超音速客机，为什么就不能把它“缩小”一点，设计成体积小巧的超音速交通工具，比如个人飞行器或者小型飞艇？听起来似乎是技术上的循序渐进，但实际上，体积大小对超音速设计的挑战是巨大的，而且很多方面是成反比的。
我们得从超音速飞行的几个关键物理原理和工程挑战说起，这些挑战在不同尺寸的飞行器上都会体现，但有些则会随着尺寸的缩小而变得更加严峻，甚至成为无法逾越的障碍。
1. 空气动力学与音爆：体积越小，问题越集中
首先，任何飞行器在空气中飞行，都要面对空气动力学原理。当速度接近音速（约1225公里/小时，海平面标准大气压）时，空气的流动行为会发生剧烈变化。空气不再是连续均匀的介质，而是开始出现压缩波，这些压缩波汇聚起来就形成了我们常说的“音爆”。
阻力激增： 随着速度进入跨音速（大约0.8到1.2马赫），飞行器周围的空气会产生激波，这些激波会带来巨大的阻力增加，也称为“波阻”。要克服这种阻力，需要巨大的推力。
钝头效应的放大： 在这个速度区间，飞行器的头部形状变得极其重要。一个尖锐的头部能更好地“劈开”空气，将压缩波传播出去，而不是让它们在你面前堆积起来。而如果飞行器体积非常小，它的几何形状往往也会更趋于“简单”，如果设计不好，一个小巧的钝头在跨音速和超音速时遇到的阻力会比大尺寸飞行器上同等比例的钝头要大得多，因为相同“钝”的程度在小体积上可能意味着一个相对更宽的迎风面积。
音爆的强度： 音爆的产生与飞行器表面上压强的快速变化有关。虽然理论上，小巧的飞行器产生的声波总量可能不如巨大的飞机，但音爆的感知强度往往与“压力变化梯度”和“总能量”有关。一个设计不佳的超音速小飞机，如果其形状导致激波特别集中且变化剧烈，依然可能产生令人不快的音爆。而且，如果小巧的超音速飞行器主要在低空飞行，音爆的地面效应会更明显，更容易对地面造成干扰。协和式飞机的超音速飞行主要在万米高空进行，就是为了尽量减少音爆对地面的影响。
2. 发动机的尺寸与效率：小心脏难承大胃口
超音速飞行需要极高的能量来克服巨大的阻力。这意味着你需要一个推力强大的发动机。
燃油消耗： 超音速飞行器比亚音速飞行器消耗更多的燃油，这是物理规律。即使是协和式飞机，其燃油效率也远低于当时的波音747。
发动机体积的权衡： 涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机，其核心部件（压气机、涡轮）需要一定的尺寸才能高效地工作，处理大量的空气。想要在很小的体积内塞进一个能够产生足够推力，并且在跨音速和超音速区间还能保持效率的发动机，是非常困难的。
压气机和涡轮的尺寸： 涡轮发动机的效率很大程度上取决于其叶片的长径比和气流通过的截面积。要实现高推力，需要更大的进气量和更高的压缩比，这通常意味着更大的发动机尺寸。把这样一个发动机缩小到适合个人使用，其效率会急剧下降，或者根本无法产生足够的推力。
进气道设计： 超音速进气道的设计非常复杂，它需要将高速气流减速到亚音速，同时保持尽可能低的能量损失，以便进入发动机燃烧。不同于简单的圆形或椭圆形进气口，超音速进气道通常有复杂的几何形状，需要精确计算才能在不同速度下工作。在极小的飞行器上实现一个高效的、可变的超音速进气道，其技术难度和对空间的占用都是巨大的挑战。
材料的局限： 高温高压是超音速发动机内部的常态。发动机部件需要能够承受极端温度和机械应力，这通常需要使用昂贵的、高性能的合金。在缩小发动机体积的同时，又要保持其性能和寿命，对材料科学提出了更高的要求。
3. 结构强度与材料：小身板难负高负荷
高速飞行伴随着巨大的空气动力载荷。
气动载荷： 飞行器机翼、机身等结构在高速气流中会承受巨大的压力差和剪切力。即使飞行器体积小，其结构仍然需要承受相对其尺寸而言非常大的载荷。
材料的比例效应： 有些材料的强度会随着尺寸的减小而表现出一定的“尺寸效应”，但整体而言，要在极小的体积内达到足够的结构强度以承受超音速载荷，意味着需要使用更坚固、更轻的材料，这又会增加成本。例如，协和式飞机使用了大量的钛合金来应对高温和高结构载荷。
热管理： 高速飞行还会产生显著的空气摩擦热，尤其是在机头和前缘。体积小的飞行器，其表面积与体积的比率可能更高，这反而可能意味着在相同材料和设计下，更容易过热，或者需要更复杂的散热系统，这又会占用宝贵的空间。
4. 稳定性与操纵性：小巧的身体更容易失控
在超音速飞行时，飞机的气动特性与亚音速时大相径庭，稳定性也更加敏感。
重心与气动中心： 随着速度变化，飞行器的气动中心会发生偏移。在超音速时，气动中心通常会向后移动。如果飞行器的重心没有妥善布置，就很容易变得不稳定，难以控制。
控制面的效率： 控制飞行器的舵面（如副翼、升降舵、方向舵）的效率与它们相对于气流的大小和速度有关。在小巧的飞行器上，即使有控制面，其相对气流的速度可能不高，或者面积不足以产生足够的控制力矩来应对高速下的扰动。
飞行控制系统： 现代飞机依靠复杂的电传操纵系统来实现稳定性和精确控制。对于小巧的超音速飞行器，其气动特性可能更加极端和不稳定，需要一个更加先进、更具响应性的飞行控制系统，这会增加系统的复杂性和成本。
5. 成本与可行性：奢侈品还是普遍工具？
研发成本： 任何超音速交通工具的研发都需要巨额的资金投入，包括风洞试验、原型机制造、材料研发等。
制造成本： 使用高性能材料和精密制造工艺来生产小巧但能承受超音速载荷的飞行器，成本会非常高。
运营成本： 如前所述，超音速飞行的燃油消耗和维护成本都非常高。对于个人交通工具而言，这将是难以承受之重。
法规限制： 在很多地区，低空超音速飞行是被严格管制的，因为音爆会产生严重的噪声污染和对地面建筑的影响。
结论：并非不可能，而是性价比和实用性问题
所以，并非“绝对不可能”制造出体积小的超音速飞行器，而是“在现有的技术和经济条件下，其可行性和实用性非常低”。
想象一下，如果你要设计一个能在马赫数1.5或2的速度下安全、稳定、高效飞行的“滑板车”或小型通勤飞机，你需要在极小的体积内解决以下问题：
一个能产生至少几百公斤推力的微型涡轮发动机，效率还不能太差。
一个能在不同超音速状态下工作的、能将空气减速到亚音速的精巧进气道。
一个能承受高过载、能够“劈开”空气并保持稳定的超音速翼型。
一个能精确控制这个不稳定结构的先进飞行控制系统。
一种能承受高温高压、同时足够轻盈坚固的材料。
一个不产生扰民音爆的解决方案（或者只能在高空飞行，这就违背了“小巧交通工具”的初衷）。
这些要求叠加在一起，就使得制造“体积小巧的超音速飞行器”成为一个在工程上极其复杂且经济上不划算的任务。目前的超音速飞行器，无论是军用飞机还是曾经的协和式客机，都需要较大的体积来容纳高性能的发动机、复杂的航空电子设备、足够厚的结构以及能够进行有效操纵和控制的部件。这些都是为了克服超音速飞行的极端挑战而必须付出的代价。
你所设想的个人超音速交通工具，如果真的要实现，可能需要革命性的技术突破，例如在推进技术（比如更小巧高效的火箭发动机，但续航和噪音是问题），或者在材料科学上（比如某种超强的、轻质的隔热材料），甚至是在空气动力学理论上找到全新的突破口。在此之前，我们看到的超音速飞行器都必然是体积相对较大的。
我们得从超音速飞行的几个关键物理原理和工程挑战说起，这些挑战在不同尺寸的飞行器上都会体现，但有些则会随着尺寸的缩小而变得更加严峻，甚至成为无法逾越的障碍。
1. 空气动力学与音爆：体积越小，问题越集中
首先，任何飞行器在空气中飞行，都要面对空气动力学原理。当速度接近音速（约1225公里/小时，海平面标准大气压）时，空气的流动行为会发生剧烈变化。空气不再是连续均匀的介质，而是开始出现压缩波，这些压缩波汇聚起来就形成了我们常说的“音爆”。
阻力激增： 随着速度进入跨音速（大约0.8到1.2马赫），飞行器周围的空气会产生激波，这些激波会带来巨大的阻力增加，也称为“波阻”。要克服这种阻力，需要巨大的推力。
钝头效应的放大： 在这个速度区间，飞行器的头部形状变得极其重要。一个尖锐的头部能更好地“劈开”空气，将压缩波传播出去，而不是让它们在你面前堆积起来。而如果飞行器体积非常小，它的几何形状往往也会更趋于“简单”，如果设计不好，一个小巧的钝头在跨音速和超音速时遇到的阻力会比大尺寸飞行器上同等比例的钝头要大得多，因为相同“钝”的程度在小体积上可能意味着一个相对更宽的迎风面积。
音爆的强度： 音爆的产生与飞行器表面上压强的快速变化有关。虽然理论上，小巧的飞行器产生的声波总量可能不如巨大的飞机，但音爆的感知强度往往与“压力变化梯度”和“总能量”有关。一个设计不佳的超音速小飞机，如果其形状导致激波特别集中且变化剧烈，依然可能产生令人不快的音爆。而且，如果小巧的超音速飞行器主要在低空飞行，音爆的地面效应会更明显，更容易对地面造成干扰。协和式飞机的超音速飞行主要在万米高空进行，就是为了尽量减少音爆对地面的影响。
2. 发动机的尺寸与效率：小心脏难承大胃口
超音速飞行需要极高的能量来克服巨大的阻力。这意味着你需要一个推力强大的发动机。
燃油消耗： 超音速飞行器比亚音速飞行器消耗更多的燃油，这是物理规律。即使是协和式飞机，其燃油效率也远低于当时的波音747。
发动机体积的权衡： 涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机，其核心部件（压气机、涡轮）需要一定的尺寸才能高效地工作，处理大量的空气。想要在很小的体积内塞进一个能够产生足够推力，并且在跨音速和超音速区间还能保持效率的发动机，是非常困难的。
压气机和涡轮的尺寸： 涡轮发动机的效率很大程度上取决于其叶片的长径比和气流通过的截面积。要实现高推力，需要更大的进气量和更高的压缩比，这通常意味着更大的发动机尺寸。把这样一个发动机缩小到适合个人使用，其效率会急剧下降，或者根本无法产生足够的推力。
进气道设计： 超音速进气道的设计非常复杂，它需要将高速气流减速到亚音速，同时保持尽可能低的能量损失，以便进入发动机燃烧。不同于简单的圆形或椭圆形进气口，超音速进气道通常有复杂的几何形状，需要精确计算才能在不同速度下工作。在极小的飞行器上实现一个高效的、可变的超音速进气道，其技术难度和对空间的占用都是巨大的挑战。
材料的局限： 高温高压是超音速发动机内部的常态。发动机部件需要能够承受极端温度和机械应力，这通常需要使用昂贵的、高性能的合金。在缩小发动机体积的同时，又要保持其性能和寿命，对材料科学提出了更高的要求。
3. 结构强度与材料：小身板难负高负荷
高速飞行伴随着巨大的空气动力载荷。
气动载荷： 飞行器机翼、机身等结构在高速气流中会承受巨大的压力差和剪切力。即使飞行器体积小，其结构仍然需要承受相对其尺寸而言非常大的载荷。
材料的比例效应： 有些材料的强度会随着尺寸的减小而表现出一定的“尺寸效应”，但整体而言，要在极小的体积内达到足够的结构强度以承受超音速载荷，意味着需要使用更坚固、更轻的材料，这又会增加成本。例如，协和式飞机使用了大量的钛合金来应对高温和高结构载荷。
热管理： 高速飞行还会产生显著的空气摩擦热，尤其是在机头和前缘。体积小的飞行器，其表面积与体积的比率可能更高，这反而可能意味着在相同材料和设计下，更容易过热，或者需要更复杂的散热系统，这又会占用宝贵的空间。
4. 稳定性与操纵性：小巧的身体更容易失控
在超音速飞行时，飞机的气动特性与亚音速时大相径庭，稳定性也更加敏感。
重心与气动中心： 随着速度变化，飞行器的气动中心会发生偏移。在超音速时，气动中心通常会向后移动。如果飞行器的重心没有妥善布置，就很容易变得不稳定，难以控制。
控制面的效率： 控制飞行器的舵面（如副翼、升降舵、方向舵）的效率与它们相对于气流的大小和速度有关。在小巧的飞行器上，即使有控制面，其相对气流的速度可能不高，或者面积不足以产生足够的控制力矩来应对高速下的扰动。
飞行控制系统： 现代飞机依靠复杂的电传操纵系统来实现稳定性和精确控制。对于小巧的超音速飞行器，其气动特性可能更加极端和不稳定，需要一个更加先进、更具响应性的飞行控制系统，这会增加系统的复杂性和成本。
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研发成本： 任何超音速交通工具的研发都需要巨额的资金投入，包括风洞试验、原型机制造、材料研发等。
制造成本： 使用高性能材料和精密制造工艺来生产小巧但能承受超音速载荷的飞行器，成本会非常高。
运营成本： 如前所述，超音速飞行的燃油消耗和维护成本都非常高。对于个人交通工具而言，这将是难以承受之重。
法规限制： 在很多地区，低空超音速飞行是被严格管制的，因为音爆会产生严重的噪声污染和对地面建筑的影响。
结论：并非不可能，而是性价比和实用性问题
所以，并非“绝对不可能”制造出体积小的超音速飞行器，而是“在现有的技术和经济条件下，其可行性和实用性非常低”。
想象一下，如果你要设计一个能在马赫数1.5或2的速度下安全、稳定、高效飞行的“滑板车”或小型通勤飞机，你需要在极小的体积内解决以下问题：
一个能产生至少几百公斤推力的微型涡轮发动机，效率还不能太差。
一个能在不同超音速状态下工作的、能将空气减速到亚音速的精巧进气道。
一个能承受高过载、能够“劈开”空气并保持稳定的超音速翼型。
一个能精确控制这个不稳定结构的先进飞行控制系统。
一种能承受高温高压、同时足够轻盈坚固的材料。
一个不产生扰民音爆的解决方案（或者只能在高空飞行，这就违背了“小巧交通工具”的初衷）。
这些要求叠加在一起，就使得制造“体积小巧的超音速飞行器”成为一个在工程上极其复杂且经济上不划算的任务。目前的超音速飞行器，无论是军用飞机还是曾经的协和式客机，都需要较大的体积来容纳高性能的发动机、复杂的航空电子设备、足够厚的结构以及能够进行有效操纵和控制的部件。这些都是为了克服超音速飞行的极端挑战而必须付出的代价。
你所设想的个人超音速交通工具，如果真的要实现，可能需要革命性的技术突破，例如在推进技术（比如更小巧高效的火箭发动机，但续航和噪音是问题），或者在材料科学上（比如某种超强的、轻质的隔热材料），甚至是在空气动力学理论上找到全新的突破口。在此之前，我们看到的超音速飞行器都必然是体积相对较大的。
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超音速的飞行器或超音速赛车体积都比较大啊
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