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微波、波阻和膨胀波

1激波和波阻

飞机在空中飞行时，对空气产生的小扰动以音速向外传

播，时周围空气受到扰动。由于飞机的飞行速度不同，周围空

气受到的扰动情况也不相同。

图3-34小扰动波传播图形

由图3-34〔a〕可以看到，当飞机停留在机场时，飞机发出

的小扰动就会以扰动源〔飞机所在位置〕为中心，以同心圆形

的波面向四周传播；〔b〕中表示当飞机前进的方向分布较

密，反方向分布较疏。但对于这两种情况，只要时间足够长，

周围的空气都会受到扰动〔不考虑扰动波在传播中的衰减〕。

通过一个个波面，空气的参数会连续不断地发生微小的变化。

这就使飞机前方的空气对飞机的到来有“预知〞，并对自己的

状态进行调整。而在〔c〕〔d〕中情况就不同了。当飞机的速

度等于音速时〔见图3-34〔c〕〕，飞机和它发出的扰动波同时

到达前方；而当飞机的速度大于音速时〔见图2-34〔d〕〕，飞

机更是领先它所发出的扰动波跑到了前面。在图3-34〔c〕、

〔d〕中，通过飞机机头作各扰动波波面的切线，切线形成的圆

锥体叫做马赫锥。从图3-34〔c〕〔d〕中可以看到，当飞机以

音速或超音速飞行时，马赫锥以内的空气将会受到扰动，而马

赫锥以外的空气无论经过多长时间都不会受到扰动。这样，当

飞机以很大的速度撞击到前面完全平静的、对飞机到来毫无

“预知〞的空气上时，对空气产生了强烈的压缩，就会在机头

前面形成一层薄薄的。稠密的空气层，这就是在机头形成的激

波。

激波是气流以超音速流过带有内折角物体外表时，受到

强烈压缩而形成的强扰动波〔见图3-35〕。气流通过激波后空

气的参数要发生剧烈的变化〔见图3-36〕：速度下降，温度、

压力、密度上升。参数的剧烈变化说明激波时一种强扰动波，

他在空气中的传播速度大于音速。激波的强度越大，传播的速

度越快。通过激波后，空气的温度上升，说明空气的局部能量

不可逆转地变为热能，能量的损失说明气流通过激波时受到了

阻力，这个阻力就叫做波阻。

图3-35超音速气流流过内折角外表时，形成激波

图3-36激波前后气流物理参数的变化

激波与气流方向之间的夹角叫做激波角。当激波角等于

90°时，激波波面与气流方向垂直，激波称为正激波。如果激

波波面与气流方向不垂直，就称为斜激波。因为正激波波面正

对着气流，所以对气流产生的波阻最大。超音速气流通过正激

波后，压力、温度和密度都骤然升高，速度下降，由超音速气

流转变为亚音速气流。斜激波的波面相对气流倾斜了一个角

度，所以它的波阻比正激波小。超音速气流通过斜激波后，压

力、温度和密度也都升高，速度也下降，超音速气流可能减速

为亚音速气流，也可能仍为超音速气流。

图3-37脱体激波与附体激波

飞机高速飞行时，形成的激波形状与飞机飞行的马赫数

及飞机的外形有关。当飞行马赫数超过1较多时，在飞机尖削

的头部形成斜激波。在飞机圆钝头部的正面形成正激波〔见图

3-37〕，并在机头上下逐渐倾斜为斜激波，最后减弱为边界

波。在圆钝头部开始形成的正激波强度比拟大，以较快的速度

向前传播。在传播过程中，能量逐渐所耗，传播的速度也逐渐

慢了下来，最后，在圆钝头部的前面，与圆钝头部保持一定的

距离向前运动，这种正激波也叫脱体波。气流经过激波后要减

速为亚音速气流，所以，在正激波波面的后面会形成一个牙音

速区。当飞行的马赫数等于略大于1时，在飞机尖削头部的正

面也会形成正激波。

2膨胀波

当超音速气流流过带有外折角的物体外表时〔见图3-

38〕，由于流管变粗，气流的速度要加快，压力要下降。这些

变化是通过外折角对气流的扰动，形成的以折角为中心逐渐散

开的扇形波来完成的。气流通过一个个波面逐渐加速降压，并

转变方向，最后生成更高速的气流，沿外折后的物体外表流

走。由于物体外折角对超音速气流的扰动，引起气流膨胀加速

的扇形波叫做膨胀波，膨胀波引起气流参数的变化是逐渐的、

连续的，所以是弱扰动波。通过上述分析可以得出这样的结

论：超音速气流是通过激波压缩减速，通过膨胀波膨胀加速

的。

图2-38膨胀波

〔a〕扇形膨胀区