超声速

速度超过声音在空气中的传播速度

超声速即为速度超过声音在空气中的传播速度。

超声速产物

激波

超声速即为速度超过声音在空气中的传播速度，此时有可能会产生激波，激波就是在流体中以高于声速的速度传播并对流体产生压缩作用的波。气体中的激波最明显，受到压缩的气体与未受到压缩的气体之间有一个很薄的波阵面隔开。这个波阵面的前后的压力不同，具有突然变化。这个压力比越大，激波就越强。

冲击波

气体、液体和固体介质中压强（或应力）、密度和温度在波阵面上发生跃变的压缩波。又称冲击波。在爆炸、冲击、超声速流动等过程中都会出现激波。当一系列压缩波在可压缩介质中传播时，介质受压的程度越高，压缩波传播的速度便越大，后来的压缩波在先前已被压缩的介质中传播，后面的波将追上前面的波，于是压缩波系将在某位置上叠合在一起而形成很强的突跃压缩的激波。突跃变化发生在很薄的一层内，称激波层，其厚度为分子平均自由程量级，故可把激波近似当作没有厚度的强间断面。若激波的波阵面与波的运动方向垂直，为正激波；否则为斜激波。

相关理论

根据介质运动必须服从质量、动量和能量的守恒关系，可以得出一组联系激波前后介质的速度u、压强p、密度ρ、比焓（单位质量的焓）h等参数的关系式，即兰金-许贡纽关系式。这组关系式对气体、液体和固体都适用，因不同介质的状态方程不同，其具体表达形式不同。切向速度没有变化，法向速度跃变具有实质的意义。正激波前方的流动是超声速的，经过激波后变成亚声速，其压强、密度、温度均提高，总压下降，总温不变。这一特征符合热力学第二定律，即熵增原理，超声速流动经过激波后，部分机械能不可逆地转化为热能，标志是总压下降；但同时也符合能量守恒定律，总能量不变，即总温不变。激波越强，熵增越大。

波阻

气体激波会在超声速飞行器上引起很大的阻力，称为波阻。管道（如超声速风洞、喷气发动机等）内的激波会降低设备效率。一般应采取措施，消除激波或减小其强度。

产生云雾

同时超声速还可能在超声速的物体上产生一团云雾，但具体原因科学家还未探明，有待将来的科技进行新的研究。

应用于飞机

杰出的空气动力学家Dietrich Kch ǔ emann（D·屈西曼）在《飞机空气动力设计》中，把飞机分为四系：古典系、后掠系、细长系、乘波系。这一分类从前所未有的宏观角度，涵盖了从那以后100年内飞机发展的范畴。尤其后三系描述了超声速飞机。

关系式计算

在随激波一起运动的坐标系内，激波是固定不动的。在图1中激波上的P点，联系激波前后介质速度v、压强p、密度ρ和比焓h（单位质量物质的焓）的质量守恒、却是守恒和能量守恒方程分别为：

下标1、2分别表示激波前后的参量，n、t分别表示沿P点处激波法线方向n和切线方向t的分量。这些基本关系对任何介质，包括气体、液体和固体都适用，但随介质的不同可有不同的表达形式（见固体中的激波）。这些关系式通常称为兰金-许贡纽关系式。为使上述方程组封闭，还应该补充介质的状态方程。气体状态方程研究得比较充分，固体和液体在高温、高压下的状态方程还需要进一步研究。

对于比热为常值的完全气体，利用相应的状态方程，可以直接解出斜激波后诸气流参量的关系式：

式中为临界声速（对应于Ma=1时的声速）；Ma1为波前气流的马赫数；β为激波相对于波前气流方向的倾斜角（图1）；T、s和p0分别为热力学温度、比熵（单位质量物质的熵）和总压；γ为比热比。当β等于90°时，这些关系式就成了正激波关系式。

在正激波中，存在关系v1v2=c*2或λ1λ2=1，式λ=v/c*中称为速度系数，在流速等于声速时，λ=1。这个关系说明超声速流（λ〉1）经过正激波变为亚声速流（λ〈1），相反的变化则是不可能的。从经正激波的熵增（△S=S2-S1）同波前马赫数的关系（图2）看出，若波前为亚声速流（Ma1〈1），则△S〈0，这违反热力学第二定律，故是不可能的。

由质量守恒关系式可直拉求出气流经激波后的折角δ同激波倾斜角β的关系：

对于定比热的完全气体，这个关系化为：

对应于一定的Ma1，存在一个最大的折角δmax。在马赫数为Ma1的气流遇到一半顶角为α的尖楔时（图3），若α〈δmax，就形成一道依附于尖楔顶端的斜激波；若α〉δmax则产生一道立在尖楔前方的离体弓形激波。

超声速测量

长期以来，超声速流场“看不见、摸不着”，其气流速度可达上千米每秒、温度范围跨越上千摄氏度、湍流脉动频率高达1MHz，要精确获得如此极端力学条件下流动的速度场、密度场、湍流脉动以及气动光学波前等参数分布，传统的试验测量技术无能为力，一直被视为困扰相关空天武器、航空航天和导弹装备研制的瓶颈难题。

瞄准超声速流场测量技术运用的广阔前景，该项目自2003年立项以来，在空气动力学专家易仕和教授的带领下，在课题组成员的聚力攻关下，提出了纳米示踪的平面激光散射技术新原理、新方法，发明了NPLS试验系统集成与运行技术、超声速流场纳米示踪技术、纳米示踪的超声速流场层析成像技术，开发了“超声速流场NPLS试验系统”，实现了飞行器流场的可视化和流场速度场、密度场、湍流脉动及气动光学波前等参数的高分辨率试验测量，实现超声速流场“清晰可见、精细测量”的研究目标。一举解决了国内重大型号研制中长期困扰的气动设计和精确制导相关的关键技术问题，显著提升了我国空天飞行器研制的自主创新和研发能力。

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