激波

氣體、液體和固體介質中應力（或壓強）、密度和溫度在波陣面上發生突躍變化的壓縮波，又稱衝擊波。在超聲速流動、爆炸等過程中都會出現激波。爆炸時形成的激波又稱爆炸波。水管中閥門突然關閉形成的波也是一種激波。在固體介質中，強烈的衝擊作用會形成激波（見固體中的激波），在電漿中也會形成激波。以下僅介紹氣體中的激波。

基本介紹

• 中文名：激波
• 外文名：shock wave
• 定義：超聲速氣體中的強壓縮波
• 分類：正激波、斜激波或附體、離體激波
• 性質：非線性效應

概述

超聲速氣流中的強壓縮波。氣體中微弱擾動是以當地音速向四周傳播的。飛行器以亞音速飛行時，擾動傳播速度比飛行器飛行速度大，所以擾動集中不起來，這時整個流場上流動參數（包括流速、壓強等）的分布是連續的。而當飛行器以超音速飛行時，擾動來不及傳到飛行器的前面去，結果前面的氣體受到飛行器突躍式的壓縮，形成集中的強擾動，這時出現一個壓縮過程的界面，稱為激波。激波是微擾動（如弱壓縮波）的疊加而形成的強間斷，帶有很強的非線性效應。經過激波，氣體的壓強、密度、溫度都會突然升高，流速則突然下降。壓強的躍升產生可聞的爆響。如飛機在較低的空域中作超音速飛行時，地面上的人可以聽見這種響聲，即所謂音爆。利用經過激波氣體密度突變的特性，可以用光學儀器把激波拍攝下來（見風洞測量方法）。理想氣體的激波沒有厚度，是數學意義的不連續面。實際氣體有粘性和傳熱性，這種物理性質使激波成為連續式的，不過其過程仍十分急驟。因此，實際激波是有厚度的，但數值十分微小，只有氣體分子自由程的某個倍數，波前的相對超音速馬赫數越大，厚度值越小。

激波的形成

激波可視為由無窮多的微弱壓縮波疊加而成。數學家B.黎曼在分析管道中氣體非定常運動時發現，原來連續的流動有可能形成不連續的間斷面。圖1說明管道內非定常流動中激波的形成過程。在管的左端用活塞向右推動氣體，使氣體運動速度由零逐漸加大到，產生一系列向右傳播的壓縮波。在瞬間，A、B面之間為壓縮區，圖上方表示瞬間管內氣體速度分布情況。下方的兩圖分別畫出沿管長x相應的壓強p和速度的分布。由A到B，壓強由逐漸上升為，速度由零增大到。經微小厚度dx的一薄層，流體壓強升高dp，這是一道微弱的壓縮波，向右的傳播速度為氣體速度和當地聲速（見聲速）之和。整個壓縮區AB中有無窮多道壓縮波，左面的波都比右面的傳播得快，隨著波的前傳，在以後的瞬間、，壓縮區愈變愈窄。相應的壓強、速度分布曲線如圖中虛線所示。最後在時刻，所有的壓縮波合在一起形成一道突躍的壓縮波——激波。經過激波，壓強突然由增大到，流速由零增大。激波相對於波前氣體的傳播速度是超聲速的，激波愈強，傳播速度愈快；激波相對於波後氣體的傳播速度是亞聲速的。定常超聲速氣流沿凹壁流動時也會形成激波。圖2為定常超聲速流動中壓縮波疊加成激波的圖形。利用光線經過密度不同的介質會發生偏轉的性質，可用光學方法對激波照相。

圖1 管內非定常流動中激波的形成

圖2 定常超聲速流動中壓縮波疊加成激波的圖形

激波損失

在實際氣體中，激波是有厚度的。在只考慮氣體粘性和熱傳導作用的條件下，由理論計算可知，激波的厚度很小，與氣體分子的平均自由程同數量級。對於標準狀況下的空氣，激波厚度約為10^-5毫米。在空氣動力學中常把激波當作厚度為零的不連續面，稱為強間斷面。氣體經過激波時，速度和溫度都發生突躍變化，粘性和導熱作用很大。在氣體溫度很高，激波很強的情況下，甚至氣體的熱力學平衡狀態也會遭到破壞。這種破壞過程是不可逆過程，按熱力學第二定律，氣體的熵增加，同時有很大一部分機械能轉化為熱能，這就是所謂激波損失。在超聲速流動中，一般總會產生激波。對於作超聲速運動的飛行器，激波的出現會引起很大的阻力；對於超聲速風洞（見風洞）、進氣道和壓氣機等內流設備，在氣流由超聲速降為亞聲速時出現的激波，會降低風洞和發動機的效率。所以，減弱激波強度以減小激波損失是實際工作中的一項重要課題。

基本分類

激波就其形狀來分有正激波、斜激波。在超聲速來流中，尖頭體頭部通常形成附體激波，在鈍頭體前部常形成脫體激波。

激波

圖3 激波

正激波

正激波的波陣面與來流垂直。超音速氣流經正激波後，速度突躍式地變為亞音速，經過激波的流速指向不變。弓形激波的中間一段可近似為正激波。此外，在超音速的管道流動中也可以出現正激波（圖4）。

正激波

圖4 正激波

斜激波

斜激波的波陣面與來流不垂直（圖5）。弓形激波除中間一小段是正激波外,其餘部分都是斜激波,與正激波相比，氣流經過斜激波時變化較小，或者說斜激波比正激波為弱。此外，氣流經過斜激波時指向必然突然折轉。因而有兩個角度，一個是波陣面與來流指向之間的夾角，或稱激波斜角β,另一個是波後氣流折離原指向的折轉角δ。β角越大,激波越強。β角小到等於馬赫角時，激波就減弱到變成微弱擾動波或馬赫波了。

斜激波

圖5 斜激波

超音速飛機的翼剖面一般採用尖的前後緣,如圖b，這時頭部出現斜激波。斜激波後的壓強升高量比正激波為小,機翼受到的波阻力小。後緣處也有激波,那是因為上下翼面流來的氣流要在後緣處匯合，兩方面來的氣流都折轉指向才能匯合成一個共同的指向，斜激波正是超音速氣流折轉指向的一種形式。

其他分類形式

激波依附於物體表面的稱附體激波（圖3b,c），不依附於物體表面的稱離體激波（圖3a），圓錐形物體在超音速運動中產生的附體激波又稱錐形激波（圖3c）。將一個尖楔置於超聲速氣流中，當楔面相對於氣流的傾斜角小於上述最大值時，就會產生附著在楔尖上的斜激波。若楔角超過此最大值，則會產生立在物體前面的弓形激波，這種激波通常稱為離體激波；半頂角小，飛行馬赫數大，則產生附體激波。那種不依附於物體的激波稱為離體激波。圖3b 是附體激波。翼型的半頂角確定之後,飛行馬赫數M1要大到一定的值之後才有附體激波存在。飛行馬赫數未達此值以前只存在離體激波。而像圖3a那樣的鈍頭物體,則不論M1多大都只存在離體激波,只是隨M1上升，離體激波至物體的距離有所縮小而已。離體激波中間很大一部分十分接近於正激波，波後壓強升得很高，物體的波阻很大。這正是太空飛行器重返大氣層時所需要的。太空飛行器在外層空間繞地球轉動時速度很高，具有巨大的動能。重返大氣層時要把速度降下來，使動能迅速變為熱能並迅速耗散掉。離體激波比附體激波能消耗更多的動能，鈍頭又正好覆蓋燒蝕層，任其燒蝕以耗散熱能（見燒蝕防熱）。

一個圓錐放在超音速氣流里（迎角為零）,如M1足夠大時便產生一個附體的圓錐形的激波面(圖3c )。氣流通過圓錐激波的變化與平面斜激波是一樣的。所不同的是氣流經過圓錐激波的突變之後還要繼續改變指向，速度繼續減小，最後才漸近地趨於與物面的斜角一致。也就是說，氣流在激波上指向折轉不夠，所以當半頂角相同時，圓錐所產生的圓錐激波較之二維翼型的激波為弱。

激波的套用

利用氣流通過激波時密度突變的特性，可藉助光學儀器將激波形狀顯示出來或拍攝成像。飛行器在飛行中，激波的產生和它的形狀，對飛行器空氣動力有很大影響，一些國家對高速飛行的飛行器作了大量的試驗和研究，以便採用合適外形，推遲激波產生或減小波阻。激波可使氣體壓強和溫度突然升高，因此，在氣體物理學中常利用激波來產生高溫和高壓，以研究氣體在高溫和高壓下的性質。利用固體中的激波，可使固體壓強達到幾百萬大氣壓（1大氣壓等於101325帕），用以研究固體在超高壓下的狀態。這對解決地球物理學、天體物理學和其他科學領域內的問題有重要意義。