一、激波是如何产生的

问：当飞行器超音速飞行时会产生激波，是不是飞行器的能量（动能和势能）转化成了激波？

不是。激波只是被撞击和还没被撞击到的空气之间的界面，激波这个界面很薄，本身没什么能量。

激波前后发生了什么？

飞行器高喊“我来了”向前飞，但是飞得太快了。在空气听到“我来了”的声音之前，就被飞行器撞到。撞击来得太突然，空气被吓傻了，来不及向四处躲闪，在飞行器头部撞出一道激波。飞行器将高空稀薄的空气，压缩成稠密、高温的空气，然后带着这些空气向前飞。

好比汽车高速奔跑，行人没有反应过来就被撞倒，汽车拖着人继续向前开，然后撞到下一个、下一个……，汽车拖着一个个撞倒的人，继续向前开。

飞行器不断“撞击”前方静止的空气。激波的前面是没有被飞行器撞击的空气，激波的后面是被撞击的空气。激波就是划分被撞击到的和还没有被撞到的界面。

激波阻力哪里来？

空气被撞击后，这个撞击必然反向作用在飞行器身上，飞行器受到空气的强烈反击，这个反击就是阻力。超音速飞行的撞击最强烈，我们称之为“激波阻力”。飞行器的能量被阻力消耗转化为空气的能量。

激波只是空气被突然撞击的受伤面，激波上游是没有被影响的空气，激波下游是严重被打伤的空气。这些受伤的空气获得了高温的热能，获得和飞行器一起向前飞的动能。

超音速飞行器将部分动能转换成激波后面的空气的温度和速度的提高，激波只是一个界面。

激波位置在哪里？

激波后面的空气被飞行器推着向前冲。你推我，我推你，将空气推得很致密，推得空气一起向前快飞。到激波这里，空气就不再向前推了，激波上游的空气不知道有个飞行器马上撞过来了，完全静止没被影响。

音速300m/s，飞行速度3000m/s

0.001s，0米处，通知到了0.3m范围，飞行器已经飞到了3m外。

0.002s，0米处，通知到了0.6m范围，飞行器已经飞到了6m外。 

激波的角度β（马赫锥半角），tg(β)=音速/飞行速度，飞得越快，激波越尖。

飞得快的是瘦子，飞得慢的是胖子。

二、激波阻力的减阻设计

问：超音速飞行器设计尽量减小端头尺寸，即使如此也会产生激波。激波本身是高能量载体，是不是飞行器设计时要避免激波“打”到飞行器，尤其避免打到翼或舵等部位。

激波不是高能量载体，但是我们要避免激波“打”到飞行器。

避免激波“打到”飞行器的表面，很重要。如果激波打到你，说明你已经探出头了，撞击到了激波外静止的空气，在你的脸上产生新的激波。

翼、舵等部位，不得不探出头，获得反击力，改变飞行器的方向，或者产生额外的升力。一不小心就撞击到激波外的空气，舵与空气撞击出什么事情，它也没办法，这是它的使命和宿命。

问：可以采取气动撑杆设计手段吗？长征火箭的逃逸塔是否也起到了气动撑杆减租的作用？

长征火箭的逃逸塔，当然是为了救命。幸好中国的火箭一直都没有用到逃逸塔，我们的宇航员都很安全地上天，又安全地落地。逃逸塔也许真的一物两用，既保证宇航员安全，又可以减阻。

气动撑杆好比在飞行器的前方打开一把雨伞，将激波顶到前方，让飞行器“躲”在激波的阴影区里。气动撑杆的迎风面积很小，受到的阻力很小，以较小的面积顶在前面，承受第一波打击，打开一条通道，较大的飞行器躲在后面，受到较小的阻力。这是气动撑杆减阻的原理，一种奇妙的减阻方法。

你愿意四周的空气是静止的，还是已经被头车带着向前跑的空气？气动撑杆就是车队开道的头车。

三、对激波的利用

问：神舟飞船大钝头设计，这种设计再入时会产生激波阻力，从而把大部分能量转化为激波能，降低放热的压力，最为关键降低了飞船的速度，有利于低速着陆。类似圆锥外形的神舟飞船是不是也躲开了激波对飞船的打击？

飞船要返回地球，进入大气层的时候速度很快。所以飞船要阻力越大越好，快点将返回的速度减小。

飞船的设计目标与飞行器相反，要产生更强的撞击，更大的阻力，更快地减速。所以外形要大钝头，去撞击更多的空气。

其实更为重要的原因是气动热。飞船受到的阻力越大，空气被撞击，获得了巨大的能量，产生很高的温度，高得任何材料都扛不住。头部撞击空气最严重，空气能量最高，热流最高，头部的热流会比后部高出10倍以上。

头部热流与头部半径的平方根成反比，头部半径越大，热流越小。

增大头部半径，减小头部热流，是飞船的刚需，这才是飞船设计成为钝头的最重要的原因。

问：乘波体飞行器，通过特殊的外形设计，将产生的激波作用于飞行器下面，起到“托着”飞行器的作用，提升飞行器升力，有利于飞行器长距离飞行。

飞行器要减阻，就要少给空气传递能量。在空气中打开一条够用的窄道，尽量不带动更多无用的空气，这是超音速飞行器设计的目标。

乘波体就是代表之作。让激波贴体，激波后面的空气越少越好，可以带动更少的空气前进。

乘波体上表面要让激波贴体，飞行器正好激波包裹。下表面则要去撞击空气，探出激波划分出的区域，去直接推动静止的空气，感受强大的反击力量，托起飞行器的重量。

乘波体越薄激波阻力越小，但是飞行器不能太薄，要有体积装些有用的东西。平衡装填体积和激波阻力的矛盾是设计师永远的痛。

高效率的超音速飞行器，撞击更少的空气。

本篇文章来源于微信公众号: 陆姐说