如果能夠實現，高超音速飛行將極大地重塑國際旅行。如今，需要一整天的時間可以成為比故事片持續時間更長的短途旅行。像悉尼到洛杉磯這樣的旅程現在需要大約 15 個小時，現在可能會減少到僅需 1 個小時。
“這確實讓地球變得更小，”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願望變為現實。帕齊亞萊最近獲得了總統科學家和工程師職業獎，以表彰他在極速流體力學方面的研究。 “這將使旅行更快、更輕鬆、更愉快。”
10馬赫飛行挑戰
一小時覆蓋半個地球似乎是不可能的，但這項技術並不像看起來那麼遙遠。一些軍用飛機的速度已經達到 2 馬赫或 3 馬赫，即音速的兩到三倍。 1馬赫約為每小時760公里。要在 60 分鐘內從洛杉磯飛往悉尼，飛機需要達到 10 馬赫的速度。主要障礙是在如此極端的速度下飛行時產生的湍流和極高的熱量。
空氣在較低速度下的行為與空氣在較高速度下的行為之間存在根本區別。工程師將以下術語描述為不可壓縮流和可壓縮流。在較低速度（約 0.3 馬赫或 225 公里每小時）的不可壓縮流中，空氣密度幾乎保持不變。這種一致性使航空設計變得更加容易。當飛機的移動速度超過音速時，氣流變得可壓縮。帕齊爾解釋說：“這是因為氣體可以‘擠壓’”，也就是說，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，其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。 “可壓縮性會影響空氣流經身體的方式，從而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重要作用。
工程師們已經對以音速或接近音速（稱為“低馬赫”數的範圍）飛行的飛機的氣流有了相當好的了解。製造高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。除了 Morkovin 假設提供的指導外，這種行為的大部分仍然不確定。
莫爾科文假說與高超音速湍流之謎
馬克·莫爾科文 (Mark Morkovin) 的 20 世紀 他在 20 世紀中葉提出的假設提出，當空氣以大約 5 馬赫或 6 馬赫的速度移動時，湍流的基本性質仍然與較低速度下的湍流相似。儘管高速氣流涉及更大的溫度和密度變化，但莫爾科文認為湍流運動的整體模式保持一致。 “本質上，莫爾科文的假設意味著湍流空氣在低速和高速下的運動方式並沒有那麼不同，”帕齊爾說。 “如果假設是正確的，這意味著我們不需要一種全新的方法來理解這些較高速度下的湍流。我們可以使用與慢速流動相同的概念。”這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。
儘管該假設很重要，但尚未得到強有力的實驗驗證。這一差距催生了 Parziale 的最新研究，該研究在支持 Morkovin 假設的高超音速湍流量研究中進行了描述，該研究於 2025 年 11 月 12 日發表在《自然通訊》雜誌上。
激光和氪實驗醞釀十一年
在這項研究中，Parziale 的團隊將氪氣引入風洞並使用激光將其電離。這個過程短暫地產生了一條明亮的直線氪原子。然後，高分辨率攝像機捕捉到光線在氣流中移動時如何彎曲、扭曲和變形，就像樹葉在河流的微小漩渦中漂浮和旋轉一樣。他表示，實驗裝置的研製需要11年的努力。 “我們發現，在 6 馬赫時，湍流的行為非常接近不可壓縮流。”
Parziale的團隊於2016年獲得了空軍科學研究青年研究員計劃（YIP）的早期支持，並於2020年獲得了海軍研究辦公室（ONR）YIP的早期支持，後者的工作也得到了ONR的資助。
這些發現對未來的飛行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，但新的結果使科學家們更接近了解如何設計能夠承受高超音速的飛機。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，從而使挑戰變得更加容易。
“今天，我們必須使用計算機來設計飛機，並使用計算資源來設計飛行速度為 6 馬赫的飛機，不可能模擬所有微小、精細、微小的細節，”Parzial 解釋道。 “莫爾科文的假設使我們能夠做出簡化的假設，使設計高超音速飛行器的計算需求更加可行。”
帕齊亞萊補充說，同樣的原則可以改變未來進入太空的方式。 “我們可以建造以高超音速飛行的飛機，我們甚至可以將它們飛入太空，而不是發射火箭，這將使它們更容易往返於近地軌道，”他說。 “這不僅將改變地球交通的遊戲規則，而且也將改變低軌道交通的遊戲規則。”
