馬赫盤

馬赫盤（Mach Disk）是當氣流以超音速和低於外部大氣的壓強離開噴嘴時發生的一種氣體現象，呈現等間距圓環的形狀，常見於火箭發動機或噴氣發動機的排氣羽流中。也稱衝擊鑽石（Shock Diamonds）。

基本介紹

• 中文名：馬赫盤
• 外文名：Mach Disk
• 屬性：火箭發動機或噴氣發動機排氣羽流中的光環
• 又稱：衝擊鑽石

簡介

馬赫盤是一種在紋影攝影上可見的結構。當超音速空氣射流在低壓下從噴管排放到靜止的高壓空氣中會出現馬赫盤。馬赫盤可以出現在任何超音速排氣中，無論是液體火箭發動機、固體火箭發動機或噴氣發動機。

產生原理

當氣體過膨脹時，與外部大氣相比，排氣中的氣體壓強較低，導致排氣被壓縮或向內擠壓。這種壓縮會增加排氣壓強。然而，由於流量可能被壓縮得太多，以致其壓強超過大氣壓強。此時，氣流再次向外擴張以降低壓強。這一過程也可能持續很久，導致羽流內部壓強再次低於環境壓強。隨著時間的推移，壓縮和膨脹過程不斷重複，排氣中的氣體壓強和外部大氣壓強之間的差異逐漸減小，直到排氣壓強與環境大氣壓強相同。

形成過程

當發動機噴嘴排出過膨脹氣流時，靠近中心線的氣流將平行於噴嘴縱軸中心線流動。然而，自由射流邊界以外的環境大氣壓強高於排氣壓強，迫使排氣流向朝中心線向內改變。這種改變通過一種稱為斜激波（oblique shock wave）的波實現。斜激波的方向與流經它的氣流方向成一定角度，並且使經過的氣流壓強增大。特別地，垂直於氣流方向的激波稱為正激波（normal shock wave）。當氣流再次平行於中心線旋轉時，正激波出現並在排氣流中產生一個馬赫盤。通過這個正激波的氣流溫度會升高，導致排氣中的多餘燃料被點燃，從而使燃料燃燒，使馬赫盤發光並形成可見的環形圖案。和斜激波一樣，正激波也會增加排氣的壓強，當排氣壓強大於周圍大氣的壓強時，氣流開始向外流動，發生膨脹。這種變化是通過一系列的膨脹波（expansion wave）實現的，這些膨脹波從自由射流邊界反射到中心線。這些波使氣流向外流動並且使氣流的壓強降低。然後，膨脹波在中心線處和在噴嘴的另一側形成的膨脹波相遇，開始向外反射。當氣流通過這些反射的膨脹波時，會平行於中心線流動並再次降低壓強。這兩組膨脹波統稱為膨脹扇（expansion fan）。當膨脹波到達自由射流邊界時，會再次向內反射，產生壓縮波（compression wave）和壓縮風扇（compression fan）。這些壓縮波迫使氣流向內流動並增加壓強。如果壓縮波足夠強，它們將合併成一個斜激波，形成一個新的馬赫盤，類似於噴嘴出口附近的馬赫盤。這一系列的壓縮和斜激波會增加排氣流的壓強，導致形成新的膨脹扇。這個過程一次又一次地重複，創造出一系列的馬赫盤。

在過膨脹流中產生馬赫盤的波結構

在欠膨脹氣流中產生馬赫盤的波結構

類似的過程發生在從高空噴嘴流出的欠膨脹氣流中。壓縮和膨脹的順序與過膨脹噴管所描述的順序相同，只是它從膨脹扇的產生開始，導致氣流最初向外流動，而不是向內壓縮。無論如何，隨後的一系列膨脹和壓縮都會導致下游形成相同的馬赫盤。

在理想氣體中，這種膨脹和收縮的過程將一直持續下去，創造出無窮多的馬赫盤。然而，實際氣體並不理想，在環境大氣和排氣之間的自由射流邊界產生的摩擦導致湍流剪下層的形成。該層產生粘性阻尼，逐漸消散波浪結構。這種粘性摩擦最終平衡了排氣和周圍大氣之間的壓強差，從而使馬赫盤不再形成。