超聲速

超聲速即為速度超過聲音在空氣中的傳播速度，此時有可能會產生激波，激波就是在流體中以高於聲速的速度傳播並對流體產生壓縮作用的波。氣體中的激波最明顯，受到壓縮的氣體與未受到壓縮的氣體之間有一個很薄的波陣面隔開。這個波陣面的前後的壓力不同，具有突然變化。這個壓力比越大，激波就越強。

氣體、液體和固體介質中壓強（或應力）、密度和温度在波陣面上發生躍變的壓縮波。又稱衝擊波。在爆炸、衝擊、超聲速流動等過程中都會出現激波。當一系列壓縮波在可壓縮介質中傳播時，介質受壓的程度越高，壓縮波傳播的速度便越大，後來的壓縮波在先前已被壓縮的介質中傳播，後面的波將追上前面的波，於是壓縮波系將在某位置上疊合在一起而形成很強的突躍壓縮的激波。突躍變化發生在很薄的一層內，稱激波層，其厚度為分子平均自由程量級，故可把激波近似當作沒有厚度的強間斷面。若激波的波陣面與波的運動方向垂直，為正激波；否則為斜激波。

根據介質運動必須服從質量、動量和能量的守恆關係，可以得出一組聯繫激波前後介質的速度u、壓強p、密度ρ、比焓（單位質量的焓）h等參數的關係式，即蘭金-許貢紐關係式。這組關係式對氣體、液體和固體都適用，因不同介質的狀態方程不同，其具體表達形式不同。切向速度沒有變化，法向速度躍變具有實質的意義。正激波前方的流動是超聲速的，經過激波後變成亞聲速，其壓強、密度、温度均提高，總壓下降，總温不變。這一特徵符合熱力學第二定律，即熵增原理，超聲速流動經過激波後，部分機械能不可逆地轉化為熱能，標誌是總壓下降；但同時也符合能量守恆定律，總能量不變，即總温不變。激波越強，熵增越大。

氣體激波會在超聲速飛行器上引起很大的阻力，稱為波阻。管道（如超聲速風洞、噴氣發動機等）內的激波會降低設備效率。一般應採取措施，消除激波或減小其強度。

同時超聲速還可能在超聲速的物體上產生一團雲霧，但具體原因科學家還未探明，有待將來的科技進行新的研究。 ^[1] 

傑出的空氣動力學家Dietrich Kch ǔ emann（D·屈西曼）在《飛機空氣動力設計》中，把飛機分為四系：古典系、後掠系、細長系、乘波系。這一分類從前所未有的宏觀角度，涵蓋了從那以後100年內飛機發展的範疇。尤其後三系描述了超聲速飛機。 ^[2] 

在隨激波一起運動的座標系內，激波是固定不動的。在圖1中激波上的P點，聯繫激波前後介質速度v、壓強p、密度ρ和比焓h（單位質量物質的焓）的質量守恆、卻是守恆和能量守恆方程分別為：

下標1、2分別表示激波前後的參量，n、t分別表示沿P點處激波法線方向n和切線方向t的分量。這些基本關係對任何介質，包括氣體、液體和固體都適用，但隨介質的不同可有不同的表達形式（見固體中的激波）。這些關係式通常稱為蘭金-許貢紐關係式。為使上述方程組封閉，還應該補充介質的狀態方程。氣體狀態方程研究得比較充分，固體和液體在高温、高壓下的狀態方程還需要進一步研究。

對於比熱為常值的完全氣體，利用相應的狀態方程，可以直接解出斜激波後諸氣流參量的關係式：

式

中為臨界聲速（對應於Ma=1時的聲速）；Ma1為波前氣流的馬赫數；β為激波相對于波前氣流方向的傾斜角（圖1）；T、s和p0分別為熱力學温度、比熵（單位質量物質的熵）和總壓；γ為比熱比。當β等於90°時，這些關係式就成了正激波關係式。

在正激波中，存在關係v1v2=c*2或λ1λ2=1，式λ=v/c*中稱為速度係數，在流速等於聲速時，λ=1。這個關係説明超聲速流（λ〉1）經過正激波變為亞聲速流（λ〈1），相反的變化則是不可能的。從經正激波的熵增（△S=S2-S1）同波前馬赫數的關係（圖2）看出，若波前為亞聲速流（Ma1〈1），則△S〈0，這違反熱力學第二定律，故是不可能的。

由質量守恆關係式可直拉求出氣流經激波後的折角δ同激波傾斜角β的關係：

對於定比熱的完全氣體，這個關係化為：

對應於一定的Ma1，存在一個最大的折角δmax。在馬赫數為Ma1的氣流遇到一半頂角為α的尖楔時（圖3），若α〈δmax，就形成一道依附於尖楔頂端的斜激波；若α〉δmax則產生一道立在尖楔前方的離體弓形激波。

長期以來，超聲速流場“看不見、摸不着”，其氣流速度可達上千米每秒、温度範圍跨越上千攝氏度、湍流脈動頻率高達1MHz，要精確獲得如此極端力學條件下流動的速度場、密度場、湍流脈動以及氣動光學波前等參數分佈，傳統的試驗測量技術無能為力，一直被視為困擾相關空天武器、航空航天和導彈裝備研製的瓶頸難題。

瞄準超聲速流場測量技術運用的廣闊前景，該項目自2003年立項以來，在空氣動力學專家易仕和教授的帶領下，在課題組成員的聚力攻關下，提出了納米示蹤的平面激光散射技術新原理、新方法，發明了NPLS試驗系統集成與運行技術、超聲速流場納米示蹤技術、納米示蹤的超聲速流場層析成像技術，開發了“超聲速流場NPLS試驗系統”，實現了飛行器流場的可視化和流場速度場、密度場、湍流脈動及氣動光學波前等參數的高分辨率試驗測量，實現超聲速流場“清晰可見、精細測量”的研究目標。一舉解決了國內重大型號研製中長期困擾的氣動設計和精確制導相關的關鍵技術問題，顯著提升了我國空天飛行器研製的自主創新和研發能力。 ^[3]