一、激波是如何產生的

問：當飛行器超音速飛行時會產生激波，是不是飛行器的能量（動能和勢能）轉化成了激波？

不是。激波只是被撞擊和還沒被撞擊到的空氣之間的界面，激波這個界面很薄，本身沒什麼能量。

激波前後發生了什麼？

飛行器高喊「我來了」向前飛，但是飛得太快了。在空氣聽到「我來了」的聲音之前，就被飛行器撞到。撞擊來得太突然，空氣被嚇傻了，來不及向四處躲閃，在飛行器頭部撞出一道激波。飛行器將高空稀薄的空氣，壓縮成稠密、高溫的空氣，然後帶著這些空氣向前飛。

好比汽車高速奔跑，行人沒有反應過來就被撞倒，汽車拖著人繼續向前開，然後撞到下一個、下一個……，汽車拖著一個個撞倒的人，繼續向前開。

飛行器不斷「撞擊」前方靜止的空氣。激波的前面是沒有被飛行器撞擊的空氣，激波的後面是被撞擊的空氣。激波就是劃分被撞擊到的和還沒有被撞到的界面。

激波阻力哪裡來？

空氣被撞擊後，這個撞擊必然反向作用在飛行器身上，飛行器受到空氣的強烈反擊，這個反擊就是阻力。超音速飛行的撞擊最強烈，我們稱之為「激波阻力」。飛行器的能量被阻力消耗轉化為空氣的能量。

激波只是空氣被突然撞擊的受傷面，激波上游是沒有被影響的空氣，激波下游是嚴重被打傷的空氣。這些受傷的空氣獲得了高溫的熱能，獲得和飛行器一起向前飛的動能。

超音速飛行器將部分動能轉換成激波後面的空氣的溫度和速度的提高，激波只是一個界面。

激波位置在哪裡？

激波後面的空氣被飛行器推著向前沖。你推我，我推你，將空氣推得很緻密，推得空氣一起向前快飛。到激波這裡，空氣就不再向前推了，激波上游的空氣不知道有個飛行器馬上撞過來了，完全靜止沒被影響。

音速300m/s，飛行速度3000m/s

0.001s，米處，通知到了0.3m範圍，飛行器已經飛到了3m外。

0.002s，米處，通知到了0.6m範圍，飛行器已經飛到了6m外。

激波的角度β（馬赫錐半形），tg(β)=音速/飛行速度，飛得越快，激波越尖。

飛得快的是瘦子，飛得慢的是胖子。

二、激波阻力的減阻設計

問：超音速飛行器設計盡量減小端頭尺寸，即使如此也會產生激波。激波本身是高能量載體，是不是飛行器設計時要避免激波「打」到飛行器，尤其避免打到翼或舵等部位。

激波不是高能量載體，但是我們要避免激波「打」到飛行器。

避免激波「打到」飛行器的表面，很重要。如果激波打到你，說明你已經探出頭了，撞擊到了激波外靜止的空氣，在你的臉上產生新的激波。

翼、舵等部位，不得不探出頭，獲得反擊力，改變飛行器的方向，或者產生額外的升力。一不小心就撞擊到激波外的空氣，舵與空氣撞擊出什麼事情，它也沒辦法，這是它的使命和宿命。

問：可以採取氣動撐桿設計手段嗎？長征火箭的逃逸塔是否也起到了氣動撐桿減租的作用？

長征火箭的逃逸塔，當然是為了救命。幸好中國的火箭一直都沒有用到逃逸塔，我們的宇航員都很安全地上天，又安全地落地。逃逸塔也許真的一物兩用，既保證宇航員安全，又可以減阻。

氣動撐桿好比在飛行器的前方打開一把雨傘，將激波頂到前方，讓飛行器「躲」在激波的陰影區里。氣動撐桿的迎風面積很小，受到的阻力很小，以較小的面積頂在前面，承受第一波打擊，打開一條通道，較大的飛行器躲在後面，受到較小的阻力。這是氣動撐桿減阻的原理，一種奇妙的減阻方法。

你願意四周的空氣是靜止的，還是已經被頭車帶著向前跑的空氣？氣動撐桿就是車隊開道的頭車。

三、對激波的利用

問：神舟飛船大鈍頭設計，這種設計再入時會產生激波阻力，從而把大部分能量轉化為激波能，降低放熱的壓力，最為關鍵降低了飛船的速度，有利於低速著陸。類似圓錐外形的神舟飛船是不是也躲開了激波對飛船的打擊？

飛船要返回地球，進入大氣層的時候速度很快。所以飛船要阻力越大越好，快點將返回的速度減小。

飛船的設計目標與飛行器相反，要產生更強的撞擊，更大的阻力，更快地減速。所以外形要大鈍頭，去撞擊更多的空氣。

其實更為重要的原因是氣動熱。飛船受到的阻力越大，空氣被撞擊，獲得了巨大的能量，產生很高的溫度，高得任何材料都扛不住。頭部撞擊空氣最嚴重，空氣能量最高，熱流最高，頭部的熱流會比後部高出10倍以上。

頭部熱流與頭部半徑的平方根成反比，頭部半徑越大，熱流越小。

增大頭部半徑，減小頭部熱流，是飛船的剛需，這才是飛船設計成為鈍頭的最重要的原因。

問：乘波體飛行器，通過特殊的外形設計，將產生的激波作用于飛行器下面，起到「托著」飛行器的作用，提升飛行器升力，有利於飛行器長距離飛行。

飛行器要減阻，就要少給空氣傳遞能量。在空氣中打開一條夠用的窄道，盡量不帶動更多無用的空氣，這是超音速飛行器設計的目標。

乘波體就是代表之作。讓激波貼體，激波後面的空氣越少越好，可以帶動更少的空氣前進。

乘波體上表面要讓激波貼體，飛行器正好激波包裹。下表面則要去撞擊空氣，探出激波劃分出的區域，去直接推動靜止的空氣，感受強大的反擊力量，托起飛行器的重量。

乘波體越薄激波阻力越小，但是飛行器不能太薄，要有體積裝些有用的東西。平衡裝填體積和激波阻力的矛盾是設計師永遠的痛。

高效率的超音速飛行器，撞擊更少的空氣。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！