激波阻力是飛機在空氣中飛行過程中產生的一種較強的波，由空氣遭到強烈的壓縮而形成。當飛行器進行超聲速飛行時，由於飛行器的能量以強壓力波的形式向周圍的空氣傳遞而產生的一種獨特的阻力。激波阻力對超聲速飛行器翼身組合體的體積和橫截面積分布十分敏感。
基本介紹
- 中文名：激波阻力
- 外文名：shock wave resistance
- 性質：阻力
- 分類：正激波和斜激波
- 原因：空氣遭到強烈的壓縮而形成
- 影響：飛行器結構、體積
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介紹
激波
飛機在空氣中飛行時，前端對空氣產生擾動，這個擾動以擾動波的形式以音速傳播，當飛機的速度小於音速時，擾動波的傳播速度大于飛機前進速度，因此它的傳播方式為四面八方；而當物體以音速或超音速運動時，擾動波的傳播速度等於或小于飛機前進速度，這樣，後續時間的擾動就會同已有的擾動波疊加在一起，形成較強的波，空氣遭到強烈的壓縮、而形成了激波。
波阻
空氣在通過激波時，受到薄薄一層稠密空氣的阻滯，使得氣流速度急驟降低，由阻滯產生的熱量來不及散布，於是加熱了空氣。加熱所需的能量由消耗的動能而來。在這裡，能量發生了轉化--由動能變為熱能。動能的消耗表示產生了一種特別的阻力。這一阻力由於隨激波的形成而來，所以就叫做"波阻"。從能量的觀點來看，波阻就是這樣產生的。
波阻產生
從機翼上壓強分布的觀點來看，波阻產生的情況大致如下；根據對機翼所作的實驗，在超音速飛行時，機翼上的壓強分布如圖所示。在亞音速飛行情況下，機翼上只有摩擦阻力、壓差阻力和誘導阻力。它的壓力分布如圖中虛線所示。對圖中兩種不同的飛行情況壓強分布加以比較，可以看出：在亞音速飛行情況下，最大稀薄度靠前，壓強分布沿著與飛行相反的方向上的合力，不是很大，即阻力不是很大，其中包括翼型阻力和誘導阻力。
可是在超音速飛行情況下，壓強分布變化非常大，最大稀薄度向後遠遠地移動到尾部，而且向後傾斜得很厲害，同時它的絕對值也有增加。因此，如果不考慮機翼頭部壓強的升高，那么壓強分布沿與飛行相反方向的合力，急劇增大，使得整個機翼的總阻力相應有很大的增加。這附加部分的阻力就是波阻。由於它來自機翼前後的壓力差，所以波阻實際上是一種壓差阻力。當然，如果飛機或機翼的任何一點上的氣流速度不超過音速，是不會產生激波和波阻的。
阻力對於飛機的飛行性能有很大的影響，特別是在高速飛行時，激波和波阻的產生，對飛機的飛行性能的影響更大。這是因為波阻的數值很大，能夠消耗發動機一大部分動力。例如當飛行速度在音速附近時，根據計算，波阻可能消耗發動機大約全部動力的四分之三。這時阻力係數Cx急驟地增長好幾倍。這就是由於飛機上出現了激波和波阻的緣故。
正激波斜激波
形成
由上面所說的看來，波阻的大小顯然同激波的形狀有關，而激波的形狀在飛行M數不變的情況下；又主要決定於物體或飛機的形狀，特別是頭部的形狀。按相對於飛行速度（或氣流速度）成垂直或成偏斜的狀態，有正激波和斜激波兩種不同的形狀。成垂直的是正激波，成偏斜的是斜激波。
在飛行M數超過 1時（例如M等於 2），如果物體的頭部尖削，象矛頭或刀刃似的，形成的是斜激波；如果物體的頭部是方楞的或圓鈍的，在物體的前面形成的則是正激波。正激波沿著上下兩端逐漸傾斜，而在遠處成為斜激波，最後逐漸減弱成為弱擾動的邊界波。斜激波的情況也是一樣的，到末端也逐漸減弱而轉化為邊界波。在正激波之後的一小塊空間，氣流穿過正激波，消耗的動能很大，總是由超音速降低到亞音速，在這裡形成一個亞音速區。
M數的大小也對激波的形狀有影響。當M數等於 1或稍大於 1（例如M= 1.042）時，在尖頭（如炮彈）物體前面形成的是正激波。如果M數超過1相當多（例如M=2.479），形成的則是斜激波。
特點
正激波的波阻要比斜激波大，因為在正激波下，空氣被壓縮得很厲害，激波後的空氣壓強和密度上升的最高，激波的強度最大，當超音速氣流通過時，空氣微團受到的阻滯最強烈，速度大大降低，動能消耗很大，這表明產生的波阻很大；相反的，斜激波對氣流的阻滯較小，氣流速度降低不多，動能的消耗也較小，因而波阻也較小。斜激波傾斜的越厲害，波阻就越小。
最佳化
超聲速飛行器的橫截面積分布對其激波阻力的影響十分顯著，合理的機翼和機身橫截面積分布可以顯著降低其激波阻力。使用類別形狀函式變換（CST）方法對機身進行基於橫截面積分解的CST參數化外形表示，在此基礎上提出了擴展的遠場組元（EFCE）超聲速翼身組合體激波阻力最佳化算法，並使用該方法對超聲速客機翼身組合體進行外形最佳化，使其激波阻力係數降低了39%。研究結果表明：由於只進行一個方向上的面積分解，機身CST參數化所使用的參數數量和相應最佳化過程的計算量比機翼大幅降低；經過EFCE激波阻力最佳化的機身具有較為明顯的面積 率 修 形“蜂 腰”特徵。
