冲击波以及超音速飞机

1. 冲击波以及超音速飞机 关于艏拨和超音速飞机的一些介绍 ０４.４.１４ 作者：周维　ＰＢ０３２０３１９ ５

2. 　　　　　　　冲击波 的产生 　当波源速度Vs大于波速u的时候，波源位于波前的前方，设在时间t内点波源由A运动到B，AB=Vst，而在同一时间内，A处波源发出的波才传播了ut，这时波源在不同时刻发射的波面相交，它们的包络面是以波源为顶点的一个圆锥面，称为马赫锥。其半顶角α满足关系：

3. Vs / u是一个很 重要无量纲的参数，称为马赫数。 奥地利物理学家马赫首先研究了冲击波 请点击

4. Ｔ Ｄ Ｓ Ｔ　 Ｗ Ａ ａ ｂ ｃ／２ Ｃ／２ 艏波的例子很多，如子弹掠空的呼啸 声，超音速飞机的爆炸似的声音，还 有汽艇经过水面后的尾波……所以是 很司空见惯的事情。而水波由于特殊的色散关系会有其半顶角a与Vs无关 下面我们来作分析： 如右图的马赫锥 　如果我们取ＡＴ的中点Ｗ，得到 如下图　

5. Ｓ Ｔ　 Ｗ Ａ ａ ｂ ｃ／２ Ｃ／２ 会有： 在有色散的情况下各种相速的波都会被激发起来， 尾迹是走的最快的波的表现，既尾迹角ｂ是相速 最大的角ＡＳＷ。所以我们应该取它对c的极值：

6. 即 或

7. 由此可得到 从而： 即水波的马赫锥半顶角由其本身的性质决定的 与船的速度无关，这是一个比较特殊的性质。 下面来介绍一下有关超音速飞机的机理。

8. 在人类百年的航空史上，超越音速是一个具有非常意义突破在人类百年的航空史上，超越音速是一个具有非常意义突破 这是超音速飞机的超声波 为了突破音障，有不少飞行员付出了生命，直到1947年10月14日清晨 24岁的美国飞行员耶格尔上尉才驾驶 X—1火箭研究机进行第9次飞行 时，达到了1.07马赫（即10.7倍音速）。这时天空传来了一声打雷一样的巨响，这便是声爆。

9. ●飞机的气动阻力 空气流作用到飞机上产生升力也产生阻力，阻力计算公式为： Q=Cx（ρυ*υ/2）S 其中Q为阻力，Cx为阻力系数， ρ为空气密度，υ为飞机速度，S为迎风面积有关的常数。超音速飞机的阻力有除了亚音速飞机的摩擦阻力，压差阻力，诱导阻力，干扰阻力外，还有一项特别的激波阻力：当物体以音速或超音速运动时，扰动波的传播速度等于或小于飞机前进速度，这样，后续时间的扰动就会同已有的扰动波叠加在一起，形成较强的波，空气遭到强烈的压缩、而形成了激波。 空气在通过激波时，受到薄薄一层稠密空气的阻滞，使得气流速度急骤降低，由阻滞产生的热量来不及散布，于是加热了空气。加热所需的能量由消耗的动能而来。在这里，能量发生了转化--由动能变为热能。动能的消耗表示产生了一种特别的阻力。这一阻力由于随激波的形成而来，所以就叫做“波阻”

10. 这是苏联研制的米格-19，和美国研制的F-100是世界上应用最早这是苏联研制的米格-19，和美国研制的F-100是世界上应用最早 的超音速飞机

11. （图）美国最先研制并装备空军使用的F—100A型昼间制空战斗机，成为世界上第一种平飞速度超过了音速的先进战机                                                             

12. 阻力对于飞机的飞行性能有很大的影响，特别是在高速飞行时，激波和波阻的产生，对飞机的飞行性能的影响更大。这是因为波阻的数值很大，能够消耗发动机一大部分动力。例如当飞行速度在音速附近时，根据计算，波阻可能消耗发动机大约全部动力的四分之三。这时阻力系数Cx急骤地增长好几倍。阻力对于飞机的飞行性能有很大的影响，特别是在高速飞行时，激波和波阻的产生，对飞机的飞行性能的影响更大。这是因为波阻的数值很大，能够消耗发动机一大部分动力。例如当飞行速度在音速附近时，根据计算，波阻可能消耗发动机大约全部动力的四分之三。这时阻力系数Cx急骤地增长好几倍。 在超音速飞行情况下，压强分布变化非常大，最大稀薄度向后远远地移动到尾部，而且向后倾斜得很厉害，同时它的绝对值也有增加。因此，如果不考虑机翼头部压强的升高，那么压强分布沿与飞行相反方向的合力，急剧增大，使得整个机翼的总阻力相应有很大的增加。这附加部分的阻力就是波阻。由于它来自机翼前后的压力差，所以波阻实际上是一种压差阻力。

13. 当然，如果飞机或机翼的任何一点上的气流速度不接近音速，是不会产生激波和波阻的。当然，如果飞机或机翼的任何一点上的气流速度不接近音速，是不会产生激波和波阻的。 波阻的大小显然同激波的 形状有关， 而激波的形状在飞行M数 不变的情况下； 又主要决定于物体或飞机的形状 ，特别是头部的形状。按相对于飞行速度（或气流速度）成垂直或成偏斜的状态，有正激波和斜激波两种不同的形状。成垂直的是正激波，成偏斜的是斜激波。

14. 如果物体的头部尖削，象矛头或刀刃似的，形成的是斜激波；如果物体的头部是方楞的或圆钝的，在物体的前面形成的则是正激波。如果物体的头部尖削，象矛头或刀刃似的，形成的是斜激波；如果物体的头部是方楞的或圆钝的，在物体的前面形成的则是正激波。 正激波的波阻要比斜激波大，因为在正激波下，空气被压缩得很厉害，激波后的空气压强和密度上升的最高，激波的强度最大，当超音速气流通过时，空气微团受到的阻滞最强烈，速度大大降低，动能消耗很大，这表明产生的波阻很大；相反的，斜激波对气流的阻滞较小，气流速度降低不多，动能的消耗也较小，因而波阻也较小。斜激波倾斜的越厉害，波阻就越小。所以现代的超音速飞机头部都做成流线型，最主要的原因还是这个。

15. 其实地球逆着太阳风运行，地磁场被压缩成磁层。其实地球逆着太阳风运行，地磁场被压缩成磁层。 磁层外有明显的流线型边界，称为磁顶层。与船 在水上行驶一样，在太阳风 中航行的地球也产生 艏波，磁顶层就是艏波的前缘 太 阳 风 磁层 艏波波前 磁尾 地球

16. 参考文献 新概念物理学教程 . 赵凯华，罗蔚茵 1995 高等教育出版社Newton科学世界（杂志） 2003.1.2 科学出版社 力学………………...扬维泓 2003 中国科大出版社