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最近看到一些关于飞行器激波的文字，感觉这些文字实在是有些不妥。所以就写了以下一些不同的文字。
首先,激波（Shock Wave）分为几大类：
1. 在定常流中传播的激波
* 这种激波通常产生于具有压差的气体界面。此时，激波传入低压气体，膨胀波传入高压气体。
* 例子：气球爆炸，激波管，爆炸激波等。
* 在这种情况下，激波前气体一般是静止的，而激波后的气体则以超音速运动。激波通常属于紊流。激波的速度取决于两种气体的压力比。
2. 管道流动中的激波
* 当管道中的超音速流减速时产生这种激波。
* 例子：超音速喷气引擎，超音速冲压喷射装置，针形阀等。
* 此种情形下，波前气体为超音速，而波后气体或者是超音速（斜激波）或者是亚音速（正激波）。该种激波或者产生于气体在收敛的管道中减速时，或者由于平直管道中附面层的增长而致。
3. 跨音速物体产生的再压缩激波
* 当跨音速流动减速为亚音速时产生这种激波。
* 例子： 跨音速机翼，管道。
4. 超音速物体的附体激波
* 这种激波以“附着”的形式出现在超音速运动的尖锐物体的顶端。
* 例子：超音速运动的楔形物体或锥形物体
5. 超音速物体的脱体激波
* 当超音速运动的物体顶端很钝时出现这种激波。
* 例子：太空返回舱（阿波罗飞船，航天飞机），子弹，磁气圈附面层
6. 爆炸波
有此可见常见于飞行器的激波有以下几种：
正激波——激波的波阵面与来流垂直。超音速气流经正激波后，速度突跃式地变为亚音速，经过激波的流速指向不变。曲线激波中的中间一段是正激波。此外，在超音速的管道流动中也可以出现正激波。
斜激波——波阵面与来流不垂直。曲线激波中除中间一小段是正激波外,其余部分都是斜激波,与正激波相比，气流经过斜激波时变化较小，或者说斜激波比正激波为弱。此外，气流经过斜激波时指向必然突然折转。因而有两个角度，一个是波阵面与来流指向之间的夹角，或称激波斜角,另一个是波后气流折离原指向的折转角。角越大,激波越强。角小到等于马赫角时，激波就减弱到变成微弱扰动波或马赫波了。另外：超音速飞机的翼剖面一般采用尖的前后缘,这时头部出现斜激波。斜激波后的压强升高量比正激波为小,机翼受到的波阻力小。后缘处也有激波,那是因为上下翼面流来的气流要在后缘处汇合，两方面来的气流都折转指向才能汇合成一个共同的指向，斜激波正是超音速气流折转指向的一种形式。
再压缩激波、附体激波和脱体激波——飞行马赫数要大到一定的值之后才有附体激波存在。飞行马赫数未达此值以前只存在脱体激波。而钝头物体,则不论多大都只存在脱体激波,只是随上升，脱体激波至物体的距离有所缩小而已。脱体激波中间很大一部分十分接近于正激波，波后压强升得很高，物体的波阻很大。这正是航天器重返大气层时所需要的。航天器在外层空间绕地球转动时速度很高，具有巨大的动能。重返大气层时要把速度降下来，使动能迅速变为热能并迅速耗散掉。脱体激波比附体激波能消耗更多的动能，钝头又正好覆盖烧蚀层，任其烧蚀以耗散热能。
很多人有一个误区，就是只有超音速的时候才有激波出现。如果你也这么认为，请看以下文字：
“在 0.8 倍音速以下的亚音速飞行时，压力波跑在飞机前面，在一定程度上起到把前方空气推开的作用。但以音速飞行时，前方的压力波“躲闪不及”，叠在一起，阻力急剧增加，阻力比亚音速时增加 3 倍，飞机就像一头撞到一堵墙上一样，这就是“音障”（sound barrier）之说的来源。然而，速度继续增加至 1.2 倍音速以上时，飞机跑到压力波前面去了，飞机的机头形成锥形激波，空气压力沿激波前锋急剧升高。激波前锋之后的压力急剧下降，到机尾压力达到负压，在机尾后压力急剧恢复到常压，整个压力分布呈骤升-缓降-骤升的 N 形，所以常被称为 N 形波。由于 N 形波前锋的拖带和后缘的推动，超音速飞行的飞机所在的 N 形波中间部分的气流反而是亚音速的。激波在正好音速的时候，几乎是垂直于飞机前进方向的平面；随速度增加，激波呈越来越尖锐的锥形，速度增加，锥形的“后掠角”也增加，所以超音速飞行的阻力增加的速率随速度的增加反而下降，超音速后，速度增加一倍，阻力只增加 30-50%。” 摘自 http://www.afwing.com/intro/supersonic/1.htm
好了，现在有人要说了：你说的这些都是超音速的飞行器，跟WWII中百把公里噗噗乱响的东西完全不是一回事啊！别急，且看下段：
“歼-6的平尾是已经成熟的米格-19S 所采用的斜轴全动平尾，采用低平尾布局。这种设计也是经过试飞和实际使用，不断改进而来的。
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不过，SM-9 仍然沿用传统平尾结构形式。这一事实表明，苏联当时并未专门进行有关超音速飞行的试飞验证计划，或者未能从此类计划中获得必要的知识。此前 NACA 进行的 X-1 试飞中就已经发现，达到临界马赫数时升降舵铰链线上会出现激波，造成采用传统平尾结构的飞机俯仰操纵几乎失效——这是造成很多起近音速飞行事故的原因。苏联航空工业部在 SM-9 未经全面试飞和验收的情况下就下令该机投产（即米格-19A），实在是拿飞行员的生命当儿戏。而米格-19A 超音速操纵性极差的缺陷，正是源自 SM-9 的传统平尾设计。
米高扬设计局和中央流体动力研究院对超音速控制问题进行了大量的研究，最终在 F-100 的启发下引入全动平尾设计，并应用到 SM-9/3（米格-19S 原型机）上。这就是我们今天看到的歼-6 全动平尾设计：前缘后掠角为 55°，相对厚度 7％，翼尖设计有防颤振配重。” 摘自 http://www.afwing.com/intro/j6/plaaf%20fighter%20J-6-9.htm
看来激波跟飞行器的气动外形有很大关系，而且飞机的激波不是整体产生的。某些结构能在飞行器前端产生激波之前就已经达到临界，从而导致“翼面压缩效应”——当飞机达到一定的速度，机翼表面的粘滞力导致附面层流速低于远离机翼表面的气流流速，机翼前缘会产生激波。随着流动的距离延长，压差使得附面层无法紧贴机翼表面，附面层随即变为紊流，距离再增长，则附面层会完全分离， 原先流过机翼表面的气流逐渐被分离开翼面。当气流分离达到一定程度，机翼会失去升力，副翼失去作用。另外因为激波将空气分离成上下两股，造成气流不再流过升降舵，升降舵也失去作用。当然对于某些型号的飞机（例如:ME-109的平尾位置不太理想，正好在机翼后部洗流里，导致俯仰操纵十分不理想。）由于其气动外形以及气动特性的影响,在翼面压缩效应的作用明显以前飞机的操纵性就已经由于机翼的气动扭转、换流拍击操纵面等原因而下降了。高速下的翼面压缩效应加剧了这种反映。 当然有矛就有盾，目前改善附面层状况的主要有改变机翼形状（比如层流翼、后掠翼等），对机翼表面吹气等，总之就是改善机翼表面的流场延缓附面层分离，从而推迟激波的产生。
今次到此为止， 欢迎拍砖！
附:
音障：
音障，是历史上（主要是第二次世界大战期间）对飞行器尝试跨越音速飞行遇到困难的称呼。这一说法在1950年代以后随着跨声速飞行的广泛实现已渐不多见。
当物体（通常是航空器）的速度接近音速时，将会逐渐追上自己发出的声波。此时，由于机身对空气的压缩无法迅速传播，将逐渐在飞机的迎风面及其附近区域积累，最终形成空气中压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面——激波（Shock Wave，又译冲击波、骇波、震波）面。激波的形成是超音速飞行的典型特征。激波面将增加空气对飞行器的阻力，这种因为音速造成提升速度的障碍被俗称为音障。另外，在早期飞机的设计中，由于对跨音速空气动力学了解尚少，所以曾多次发生飞机试图超越音速时解体或者失控坠毁的严重事故，有人把这一时期困扰飞机制造业的难题也称为“音障”。事实上，音障一词的名声大噪更多地来自于媒体的炒作及大众的误解，而非更加深刻的物理实质。
飞行器进入超音速飞行形成的激波面，是声学能量的高度集中面，所以又称音锥。音锥在听觉上是一声短暂而极其强烈（可能超越人耳听力上限的）的爆炸声，故称为音爆或声爆（Sonic Boom）。强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害，也会给飞行器本身跨越冲击面的部分造成巨大的压力，所以各国一般都禁止超音速飞机在住宅区上空突破音速。
除此之外，跨音速飞行常常伴随的一个效应称为普朗特-格劳厄脱凝结云（Prandtl-Glauert condensation clouds），其特征是一个以飞机为中心轴、从机翼前段开始向四周均匀扩散的圆锥状云团。这是由于激波面后方因气压降低导致温度的降低，进而引起水气凝结导致。水气凝结变成微小的水珠后，肉眼看来就像是云雾般的状态。这个低压带会随着离机身的距离增加而迅速消失。值得一提的是，普朗特-格劳厄脱凝结云并非只能在跨音速飞行中看到，与激波也没有必然的联系，它仅仅表征了空气具有一定的可压缩性。在合适的条件下，尚未接近音速的飞机也能在自己周围产生普朗特-格劳厄脱凝结云。 摘自 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E9%9F%B3%E9%9A%9C
超音速：
超音速（英文：supersonic）简单说，是指超过环境中音速的速度。在海平面高度，空气中的音速大约是343 米/秒、1,087 呎/秒、761 英里/小时或1,235 千米/小时。1音速为1马赫（Mach），是以超音速常以音速倍数——马赫数为量度单位。超过5马赫的速度有时候称为超高音速（英文：hypersonic）。物体只有一些部份（例如转子叶片的末梢）其周遭空气是超过音速的情形称为跨音速（英文：transonic）；出现这种情况，常见的物体速度值是介于0.8马赫与1.2马赫之间。
声音是在弹性介质中行进的振动（压力波）。在气体中，声波是一种纵波，以不同速度行进，其中最相关的影响因素是气体的分子量与温度（气体压力影响较小）。既然气体温度与组成随着海拔改变甚巨，飞行器的马赫数可以在空速未有改变下有所变动。在室温的水中，速度超过1,440 米/秒或4,724 呎/秒可被视为超音速。在固体中，声波可以是纵波或横波，而且传播速度更快。 摘自 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E8%B6%85%E9%9F%B3%E9%80%9F
[ 本帖最后由 TODDHaNks 于 2009-9-3 19:11 编辑 ] |
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发表于 2009-9-1 15:01:08
