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超高速度的物理奧秘：你知道在超音速與超超音速之間發生了什麼嗎？
在航空動力學中，超音速速度是指超過音速五倍以上的速度，通常被定義為馬赫數（Mach number）5及以上。這種速度下的飛行器會遇到一系列物理現象，這些現象在速度提升至超音速階段時並不明顯，但在超音速與超超音速之間卻變得不可忽視。一些物理過程，如氣流的分子離解和電離等，對於飛行器的設計和動力學行為都提出了挑戰。
「當飛行器進入超音速區域時，熱量和能量的轉化過程開始產生顯著影響，使得流體的性質發生變更。」
流動的特徵
超音速的流動特徵相較於亞音速和超音速流動有其獨特性，其中包括：
- 衝擊層
- 氣動加熱
- 熵層
- 真實氣體效應
- 低密度效應
- 氣動係數與馬赫數獨立性
小衝擊距離
隨著飛行器馬赫數的增加，形成的衝擊波後面密度也隨之增加，這會導致衝擊後的體積因質量守恆法則而減少。結果，隨著馬赫數的增加，衝擊波與物體之間的距離逐漸減少。
熵層的影響
隨著馬赫數的提升，衝擊波的熵變化也會加劇，這會導致強烈的熵梯度和高度渦旋的流動，並與邊界層混合，影響流場的穩定性及熱環境。
高溫流動的挑戰
在高馬赫數的環境下，由於粘性耗散的結果，流體會出現非平衡化學流動的性質，包括分子振動的激勵、分子離解和電離等。這些因素會引起對流和輻射熱通量的增強，從而進一步影響流場的熱力學狀態。
馬赫數的分類
航天器進入超音速區域時，所需處理的流動行為會增添複雜度。一般NASA將馬赫數10至25之間稱為「高超音速」，而超過馬赫25的速度被定義為再入速度。進入這些速度範疇的航天器有：重返地球的蘇聯「索尤茲」和美國「龍」太空艙；已運行的太空梭，以及正在開發中的各種可重複使用的航天器。
「對於高超音速流動，除了馬赫數之外，動力學還考慮了其他相似性的參數，這使得高超音速的研究不同於傳統的氣動力學。」
相似性參數的重要性
在高超音速流動的分析中，研究人員會使用多種相似性參數來簡化大量不同情況的分析，以便於辨別相似性的流動特徵。當前在高超音速流動中，溫度的增加使得真實氣體效應成為重要的考量，而這也使得在流動狀態的描述上需要引入更多的變量。
流動的不同區域
在高超音速流動中，根據流動性質的不同，可以將流動劃分為幾個不同的區域：
- 完美氣體區域
- 兩溫度理想氣體區域
- 離解氣體區域
- 離子化氣體區域
- 輻射主導區域
各個區域的劃分雖然不甚明確，但各自對流動的影響卻不可小覷。
未來的挑戰與探索
隨著對高超音速技術的逐漸了解，未來的挑戰將持續集中在如何改善航天器的設計，提升耐熱性和安全性。這將要求科研人員需更加深入探索熵層、黏性效應以及高溫化學反應等現象對飛行器性能的影響。這些研究不僅是為了推進我們對航空科學的理解，更是為了實現更高效能的飛行器設計。
在探索超高速度的未知領域時，我們或許需要再思考一個問題：未來的航天器能否在低和高馬赫數之間找到最佳的運行平衡嗎？
