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激波锥

王朝百科·作者佚名  2011-02-15  
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俗话说“一石激起千层浪”,从上往下向平静的湖面投入一块石头,水面立刻会泛开一圈一圈的水波向四周扩散,水波逐渐衰减,直至整个水面。而向前推进的物体在水中激起的水波就不是这样,比如一艘高速前进的快艇,它激起的水波就不是一圈一圈地向外传,而是从艇前开始,呈一楔形向外传播。同时我们可

激波锥
音爆

以看到前缘密集,波浪很大,而后面波浪就很小。这种波我们称为楔形水波。此波随同快船一道前进,波及的范围始终在楔形之内。

对于空气来说,也有类似现象,如果给空气一个扰动,声音也会象水一样通过波的形式向外传播,这就是声波。我们平时听见的声音就是声波传入耳内刺激鼓膜产生的。当飞机在空中作超音速飞行时,在机头或突出部分,也会象水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形波,这就是激波。可见激波就是空气受到压缩扰动时,空气中出现的间断面,表现为密度和压强突变。当飞机以超过音速的速度飞行,飞机所发出的声音的密度波无法跑在飞机前方,所以就全部叠在机身后方,形成了圆锥形状的音锥。当这种爆震波传到时,我们就听到所有累积起来的声音,这就是轰然巨响的音爆。

空气引起激波的厚度很小,经过波后空气的压强、密度、温度都突然升高,速度立即下降。当激波向外传播时互相干扰和影响,然后汇集成一道包罗机头的前激波和一道尾随机尾的后激波。当这两道激波波及到无论哪个空间和物体时,均会感到这种强烈的变化,反映到人的耳朵里,使耳鼓膜受到突然的空气压强变化,可以感觉是两声雷鸣般的巨响。

高速飞行器前端对空气产生强烈压缩,在前方大气中形成一个伞状的激波锥,激波前沿的空气密度急剧升高,在飞行器前面像一堵移动的墙一样,飞行器则在激波锥的尾流中前行。由于和前方静态空气直接接触的是激波锥而不是航天器本身,气动加热主要由激波前沿和前方的静态空气之间的压缩和摩擦产生。如果

激波锥
原理说明

飞行器表面和激波前沿保持一定的距离,气动加热所产生的热量将主要在空气密度较高的激波内传导和耗散,航天器在周围宽厚的边界层保护下,本身承受的热负荷就要小很多。于是,降低航天器热负荷的一个重要途径就是使激波锥前移,尽量远离飞行器本体。根据这一发现,亨利·艾伦提出飞行器的头部应该是钝形,而不是尖锐的。钝形头部可以有效地在减速过程中,在艏部推出一个宽大和强烈的激波,并使波前锋远离艏部和周围,就像平头的驳船船首推开的波浪一样。这就是为什么宇宙飞船、飞机、洲际导弹的头部都采用钝头锥体的原因。

从外观上,航天飞机、洲际导弹的头部都采用钝头锥体也是这个原因。1951年,物理学家亨利·艾伦在研究中发现,高速再入大气层的航天器前端对空气产生强烈压缩,在前方大气中形成一个伞状的激波锥,激波前沿的空气密度急剧升高,在航天器前面像一堵移动的墙一样,航天器则在激波锥的尾流中前行。由于和前方静态空气直接接触的是激波锥而不是航天器本身,气动加热主要由激波前沿和前方的静态空气之间的压缩和摩擦产生。如果航天器表面和激波前沿保持一定的距离,气动加热所产生的热量将主要在空气密度较高的激波内传导和耗散,航天器在周围宽厚的边界层保护下,本身承受的热负荷就要小很多。于是,降低航天器热负荷的一个重要途径就是使激波锥前移,尽量远离航天器本体。根据这一发现,亨利·艾伦提出航天器的头部应该是钝形,而不是尖锐的。钝形头部可以有效地在减速过程中,在艏部推出一个宽大和强烈的激波,并使波前锋远离艏部和周围,就像平头的驳船船首推开的波浪一样。这就是为什么宇宙飞船、航天飞机、洲际导弹的头部都采用钝头锥体的原因。强激波产生致命结果,原子弹的杀伤力很大一部分是通过激波来体现的。

飞机上的激波锥就是为了防止激波对飞行产生影响的部件

 
 
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