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），在等離子體中也會形成激波。以下僅介紹氣體中的激波。

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

目錄

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，隨着波的前傳，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。激波相對于波前氣體的傳播速度是超聲速的，激波愈強，傳播速度愈快；激波相對于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。

激波圖片來源百度網原圖鏈接

圖2 定常超聲速流動中壓縮波疊加成激波的圖形圖片來源百度網原圖鏈接

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。

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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。 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）。

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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。

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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，就會產生附着在楔尖上的斜激波。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。這正是航天器重返大氣層時所需要的。航天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 。

激波的應用

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。