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衝擊波的秘密：為什麼高馬赫數飛行會改變流體的性質？
隨著科技的不斷進步，航空航天工程師們對高馬赫數飛行的研究也逐漸深入。當飛行器的速度超越音速，特別是當其達到赫赫有名的“高馬赫數”時，流體的性質會發生不容小覷的變化。高馬赫數，定義為超過五倍音速的速度，對飛行器性能及其周邊流場的影響令人矚目。這些變化涉及了流體力學的核心原理，不僅挑戰著傳統的科學認知，也為未來航空技術的發展鋪平了道路。
流場的特徵
雖然對於高馬赫流的具體定義存有爭議，但通常可以識別出一些物理現象，這些現象在超音速流中難以被分析所忽視。
高馬赫流的特殊性體現在衝擊層、空氣動力加熱、熵層、實氣體效應以及低密度效應等方面。
小衝擊波的間距
隨著物體的馬赫數增加，物體前方的衝擊波後方的密度也隨之上升，這是基於質量守恒的原理，伴隨著衝擊波後方體積的減少。在更高的馬赫數下，衝擊波與物體的距離將會減少，這一現象在高馬赫數的飛行中尤為明顯。
熵層的形成
隨著馬赫數的提升，衝擊波的熵變化也會增大，這會導致強烈的熵梯度及強紊流的形成，並且與邊界層混合得更加緊密。這一狀況直接影響了物體的空氣動力學特性，對飛行器的設計提出了更高的要求。
黏性互動
在高馬赫數流動中，一部分大動能因黏性效應轉化為流體的內能，這一變化表現在流體溫度的提高上。隨著溫度的增加，邊界層的密度減少，這會導致邊界層變得更加厚實，並且經常與靠近機身前緣的衝擊波相融合。
高溫流動
由於黏性耗散的作用，高馬赫數的流動會引致流體溫度驟升，進而導致非平衡的化學流動性質，包括分子振動激發、解離及電離現象，這些都將引起對流及輻射熱流的影響。
馬赫數範疇的分類
在討論這些高速流動時，科學家們通常會根據馬赫數來對其進行分類。進入跨音速區域後，流體開始展現出複雜的行為，這使得在此階段的傳統計算方法逐漸失效。
NASA 定義“高”高馬赫數範圍為馬赫數10至25，且重返地球的速度則為馬赫數超過25的情況。
相似性參量
高馬赫數的流動需要更高維度的相似性參數來進行分類，這些參數可以協助簡化無數測試案例，以獲得可比擬的流動行為。科學家需要考慮流體的真實氣體效應，並且在非平衡流動狀況下，描述氣體狀態所需的變數可以高達十至百個。
高馬赫數流的各個區域
高馬赫數流可被粗略劃分為數個區域，每個區域展示了不同的物理特性和流動行為：
完全氣體：視為理想氣體的流動範圍。雙溫度理想氣體：需要分開考量旋轉和振動的溫度。解離氣體：氣體的分子開始解離影響表面加熱。電離氣體：電子和氣體成分的分離建模。輻射主導區域：熱傳導轉變為輻射主導的傳遞。
隨著對高馬赫數現象的更深入研究，未來的航空航天技術或許能突破當前的界限，探索更高速度下的飛行可能性。然而，這些變化背後的物理原理仍值得進一步的思考與瞭解，究竟未來的航空航天技術又將如何受到這些流動特性的影響?
