先端が尖った超音速物体に付着した衝撃波のシュリーレン写真
1984年、プエルトリコでの訓練演習中、 USSアイオワが舷側に向けて砲撃している。砲撃によって膨張した球状の大気衝撃波が水面にぶつかった部分に円形の跡が見える。

物理学において、衝撃波（ shockwave、 shockwaveとも綴られる）またはショックとは、媒質中の局所的な音速よりも速く伝播する擾乱の一種である。通常の波と同様に、衝撃波はエネルギーを運び、媒質中を伝播するが、媒質の圧力、温度、密度が急激かつほぼ不連続に変化するという特徴がある。 [1] [2] [3] [4] [5] [6]

比較のために、超音速流れでは、プラントル・マイヤー膨張ファンとも呼ばれる膨張ファンによって、さらなる膨張が達成されることがあります。これに伴う膨張波は衝撃波に接近し、最終的に衝突して再結合し、相殺干渉のプロセスを引き起こします。超音速航空機の通過に伴うソニックブームは、相殺干渉によって生成される音波の一種です。

ソリトン（別の種類の非線形波）とは異なり、衝撃波のエネルギーと速度は単独では距離とともに比較的急速に減衰します。衝撃波が物質を通過すると、エネルギーは保存されますが、エントロピーは増加します。この物質の特性の変化は、仕事として取り出せるエネルギーの減少、そして超音速物体に対する抗力として現れます。つまり、衝撃波は極めて不可逆的なプロセスです。

用語

衝撃波には次のようなものがあります:

普通
衝撃媒体の流れ方向に対して90°（垂直）です。
斜め
流れの方向に対して斜めに。
弓
上流の流速がマッハ 1 を超えたときに、鈍い物体の前面 (船首) の上流で発生します。

その他の用語:

  • 衝撃波面: 衝撃波によって物理的状態が急激に変化する境界。
  • 接触面：駆動ガス（例えば、高性能爆薬が周囲の空気に及ぼす「衝撃」）によって引き起こされる衝撃波において、駆動ガス（爆発物）と駆動ガス（空気）の境界面。接触面は衝撃面の後方に形成される。

超音速流では

超音速物体が観測者を通過していく場合の、外部観測点における圧力-時間図。物体の前縁は衝撃波（左、赤）を引き起こし、後縁は膨張（右、青）を引き起こす。
円錐状の衝撃波と、その双曲線状の接地領域が黄色で示されている

衝撃波の特徴である媒体の特性の急激な変化は、相転移として考えることができます。伝播する超音速物体の圧力-時間図は、衝撃波によって引き起こされる転移が動的相転移に類似していることを示しています。

物体（または擾乱）が周囲の流体に情報が伝播する速度よりも速く移動すると、擾乱の近くの流体は擾乱が到達する前に反応したり「逃げる」ことができません。衝撃波では、流体の特性（密度、圧力、温度、流速、マッハ数）がほぼ瞬時に変化します。[7] [8]空気中の衝撃波の厚さの測定では、約200 nm（約10の-5乗インチ）という値が得られており、[9]これは気体分子の平均自由行程と同程度の大きさです。連続体に関して言えば、流れ場が2次元の場合は線、3次元の場合は面として扱うことができることを意味します。

衝撃波は、圧力面が超音速で移動し、周囲の空気を押し出すことで発生します。[10]これが発生する領域では、流れに逆らって進む音波がそれ以上上流へ進むことができない地点に到達し、その領域で圧力が徐々に高まり、高圧の衝撃波が急速に形成されます。

衝撃波は通常の音波とは異なり、気体の性質が急激に変化することで発生します。空気中の衝撃波は、「パキッ」という大きな音や「カチッ」という音として聞こえます。長距離では、衝撃波は非線形波から線形波へと変化し、空気を加熱してエネルギーを失うにつれて、通常の音波へと退化します。この音波は、航空機の超音速飛行でよく見られるソニックブームの「ドスン」という音として聞こえます。

衝撃波は、超音速流中の気体を圧縮する複数の方法の一つです。他には、プラントル・マイヤー圧縮を含む等エントロピー圧縮があります。気体の圧縮方法によって、一定の圧力比に対して異なる温度と密度が生じますが、これは非反応性気体であれば解析的に計算できます。衝撃波圧縮は全圧の損失を伴うため、スクラムジェットの吸気口など、一部の用途では気体を圧縮する方法として効率が悪い場合があります。超音速航空機における圧力抵抗の発生は、主に衝撃波圧縮が流れに与える影響によるものです。

通常のショック

理想気体を用いる初等流体力学では、衝撃波は、衝撃波が通過するとエントロピーが急激に増加する不連続性として扱われる。流体の流れは不連続ではないため、衝撃波の周囲に制御体積が確立され、この体積の境界となる制御面が衝撃波と平行になる（1 つの面が流体媒体の衝撃前側、もう 1 つが衝撃後側にある）。2 つの面は、衝撃波が完全にその間に収まるように、非常に小さな深さで隔てられている。このような制御面で、運動量、質量流束、およびエネルギーは一定である。燃焼内では、デトネーションは衝撃波を介した熱の導入としてモデル化できる。システムは断熱的（熱の出入りがない）であり、仕事は行われないと仮定される。ランキン・ユゴニオ条件は、これらの考慮から生じる。

下流特性が亜音速になるシステムでは、確立された仮定を考慮すると、流体の上流および下流の流れ特性は等エントロピーであるとみなされます。システム内の総エネルギー量は一定であるため、よどみ点エンタルピーは両方の領域で一定のままです。しかし、エントロピーは増加しており、これは下流流体のよどみ点圧力の低下によって説明される必要があります。

その他のショック

斜め衝撃

物体に付着したままの流れ場における衝撃波を解析する場合、流れの方向から任意の角度で逸れる衝撃波は斜衝撃波と呼ばれます。このような衝撃波は流れの成分ベクトル解析を必要とします。これにより、斜衝撃波に直交する方向の流れを垂直衝撃波として扱うことができます。

ボウショック

斜め衝撃波が表面に留まらない角度で発生する場合、衝撃波が物体の周囲に連続的なパターンを形成する非線形現象が発生します。これは「バウショック」と呼ばれます。このような場合、1次元流れモデルは有効ではなく、表面に作用する圧力を予測するには更なる解析が必要です。

非線形急峻化による衝撃波

衝撃波は、通常の波が急峻になることで発生します。この現象の最もよく知られた例は、海岸で砕波を起こす海洋波です。浅瀬では、表面波の速度は水深に依存します。入射する海洋波は、波の高さが水深に比べて無限に小さいわけではないため、波頭付近では波間の谷付近よりも波速がわずかに速くなります。波頭は谷を追い越し、波の先端が垂直面を形成して溢れ出し、乱流衝撃波（砕波）を形成します。この砕波は、波のエネルギーを音と熱として消散させます。

同様の現象がガスやプラズマ中の強い音波にも影響を及ぼします。これは、音速が温度と圧力に依存するためです。強い音波は、空気自体の断熱圧縮により、各圧力面付近の媒体を加熱するため、高い圧力面が対応する圧力面の谷を追い越します。トロンボーンなどの金管楽器の音圧レベルは、急峻な音色になるのに十分な高さになり、楽器の明るい音色の重要な要素を形成するという理論があります。[11]このプロセスによる衝撃波の形成は、地球の大気圏内で密閉されていない音波では通常発生しませんが、太陽内部から伝播する波動を介して太陽の 彩層とコロナが加熱されるメカニズムの1つであると考えられています。

類推

衝撃波は、移動物体の上流において、物体の接近を「知っている」最遠点として説明することができます。この説明では、衝撃波の位置は、衝撃波駆動イベントに関する情報を持たない領域と、衝撃波駆動イベントを認識している領域との境界として定義され、これは特殊相対性理論で説明される光円錐に類似しています。

衝撃波を発生させるには、特定の媒体（空気や水など）内の物体が、その場の音速よりも速く移動する必要があります。亜音速で飛行する航空機の場合、航空機周辺の空気層は音速と全く同じ速度で移動している可能性があり、航空機から発せられる音波は高速道路の渋滞のように互いに重なり合います。衝撃波が発生すると、局所的な気圧が上昇し、その後横方向に広がります。この増幅効果により、衝撃波は非常に強くなり、遠くから聞こえると爆発音のように聞こえます（爆発は衝撃波を発生させるため、これは偶然ではありません）。

流体力学以外でも、類似の現象が知られています。例えば、屈折媒体（水など、光速が真空中よりも遅い媒体）内で光速を超えて加速された荷電粒子は、チェレンコフ放射と呼ばれる現象によって目に見える衝撃効果を生み出します。

現象の種類

以下に、類似の衝撃現象に大まかに分類された衝撃波の例をいくつか示します。

爆発の火球の前方で静止媒体に伝播する衝撃波。衝撃波は影の効果によって可視化される（トリニティ爆発）。

動く衝撃

  • 通常、静止した媒体に伝播する衝撃波で構成される
  • この場合、衝撃波の前方の気体は（実験室系では）静止しており、衝撃波の後方の気体は実験室系では超音速となる可能性があります。衝撃波は流れの方向に対して垂直（直角）な波面を描いて伝播します。衝撃波の速度は、2つの気体間の元の圧力比の関数です。
  • 移動する衝撃波は通常、異なる圧力の 2 つの気体の相互作用によって生成され、衝撃波は低圧の気体に伝播し、膨張波は高圧の気体に伝播します。
  • 例: 風船の破裂、衝撃管、爆発による衝撃波。

爆発波

  • デトネーション波は、本質的には後続の発熱反応によって支えられた衝撃波です。これは、酸素とメタンの混合物や高性能爆薬など、可燃性または化学的に不安定な媒体中を伝わる波動です。媒体の化学反応は衝撃波に続いて起こり、その化学エネルギーが波を前進させます。
  • デトネーション波は、衝撃波面の背後で起こる化学反応によって駆動されるため、通常の衝撃波とは若干異なる規則に従います。デトネーションの最も単純な理論では、支持されていない自己伝播するデトネーション波がチャップマン・ジュゲ流速で進行します。デトネーションは、爆発によって引き起こされる過圧によって、周囲の空気中に衝撃波を伝播させます。
  • TNTなどの高性能爆薬(爆発速度6,900 m/s)によって衝撃波が生成されると、その衝撃波は発生点から常に超音速の高速で移動します。
1887年にエルンスト・マッハとペーター・ザルヒャーによって発表された、超音速飛行中の弾丸の分離衝撃波のシュリーレン写真
ライフルから発射された超音速弾の衝撃波のシャドウグラム。シャドウグラフ光学技術により、弾丸がマッハ数約1.9で運動していることが明らかになった。弾丸からは左右に走る船首波と尾波が流れ、乱流の航跡も確認できる。右端の模様は、ライフルから噴出した未燃焼の火薬粒子によるものである。

ボウショック（デタッチドショック）

付属ショック

  • これらの衝撃は、超音速で移動する鋭い物体の先端に付着しているように見えます。
  • 例: 頂角が小さい超音速ウェッジおよびコーン。
  • 付着衝撃波は、空気力学において古典的な構造です。これは、完全気体で非粘性の流れ場の場合、上流マッハ数と衝撃波角が分かれば、圧力比、温度比、くさび角、下流マッハ数をすべて計算できる解析解が存在するためです。衝撃波角が小さいほど上流マッハ数は大きくなり、衝撃波が流れに対して90°の角度にある特殊なケース（法線衝撃波）ではマッハ数は1になります。これらは、解析方程式の「弱衝撃波」解に従います。

急速な粒状流において

衝撃波は、傾斜した水路や斜面を流れる高密度粒状物質の急流でも発生することがあります。高密度粒状物質の急流における強い衝撃は、理論的に研究し、実験データと比較するための分析が可能です。例えば、シュートを高速で移動する物質が、長く急勾配の水路の端に垂直に設置された障害壁に衝突する状況を考えてみましょう。衝突により、流動状態は、高速で移動する超臨界状態の薄層から、停滞した厚い堆積層へと突然変化します。この流動状態は、超臨界状態から亜臨界状態への流動状態の変化に関連するいくつかの水力学的および空気力学的状況に類似しているため、特に興味深いものです。

天体物理学では

天体物理学的環境では、様々な種類の衝撃波が発生します。一般的な例としては、星間物質を伝播する超新星衝撃波やブラスト波、地球磁場と太陽風の衝突によって生じるバウショック、銀河同士の衝突によって生じる衝撃波などが挙げられます。天体物理学において興味深いもう一つの衝撃波は、若いパルサーからの超相対論的風を終結させる準定常逆衝撃波、あるいは終結衝撃波です。

流星の突入イベント

隕石の衝撃波による被害

衝撃波は、隕石が地球の大気圏に突入する際に発生します。[12]ツングースカ事件と2013年のロシアの隕石事件は、巨大な隕石によって生成された衝撃波の最もよく記録された証拠です。

2013年の隕石が地球の大気圏に突入した際、放出されたエネルギーはTNT火薬100キロトン以上に相当し、広島に投下された原子爆弾の数十倍の威力があった。隕石の衝撃波は、超音速ジェット機の接近通過（隕石の軌道の真下）のような被害や、隕石の爆発を中心とする円形の衝撃波を伴う爆発波として被害を引き起こし、チェリャビンスク市と近隣地域で複数のガラス破損を引き起こした（写真）。

技術的応用

以下の例では、衝撃波は（例えば翼型によって）制御され、またはタービンのような技術装置の内部で生成されます。

再圧縮ショック

臨界マッハ数以上における遷音速流翼の再圧縮衝撃
  • これらの衝撃波は遷音速物体上の流れが亜音速まで減速されたときに発生します。
  • 例:遷音速翼、タービン
  • 遷音速翼の負圧側の流れが超音速まで加速されると、プラントル・マイヤー圧縮または垂直衝撃波の形成によって再圧縮が発生します。この衝撃波は、遷音速翼型に接触する点で境界層の剥離を引き起こす可能性があるため、遷音速機器メーカーにとって特に重要です。その結果、翼型上での完全な剥離と失速、抗力の増大、あるいはショックバフェット（剥離と衝撃波が共鳴状態で相互作用し、下部構造に共振荷重を引き起こす状態）が発生する可能性があります。

パイプフロー

  • この衝撃は、パイプ内の超音速流が減速されたときに発生します。
  • 例:
  • この場合、衝撃波の前方のガスは超音速（実験室フレーム内）であり、衝撃波システムの後方のガスは超音速（斜め衝撃波）または亜音速（通常の衝撃波）のいずれかです（ただし、偏向角の限界に非常に近い一部の斜め衝撃波では、下流のマッハ数は亜音速です）。衝撃波は、収束ダクトによるガスの減速、または平行ダクトの壁面における境界層の成長によって発生します。

内燃機関

ウェーブディスク エンジン(「ラジアル内燃ウェーブ ローター」とも呼ばれる) は、衝撃波を利用して高エネルギー流体から低エネルギー流体にエネルギーを伝達し、低エネルギー流体の温度と圧力の両方を高めるピストンレス ロータリー エンジンの一種です。

メモリスタ

メモリスタでは、外部から印加された電界下で、遷移金属酸化物を横切って衝撃波が発生し、高速かつ不揮発性の抵抗率変化が生じる。[13]

衝撃の捕捉と検出

2機の超音速機からの衝撃波の相互作用
NASAは2019年に、2機の航空機の間で相互作用する衝撃波のシュリーレン写真を初めて撮影した。

衝撃波を捉え、数値計算と実験観測の両方で衝撃波を検出するには高度な技術が必要である。[14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]

衝撃波を伴う流れ場を求めるには、数値流体力学が一般的に用いられます。衝撃波は鋭い不連続面ですが、不連続面（衝撃波、接触不連続面、または滑り線）を含む流体の数値解析では、低次の数値解析法では衝撃波を平滑化できます（数値散逸による）。一方、高次の数値解析法では衝撃波面近傍に不要な振動が発生します（ギブス現象[21]による）。

衝撃波以外にも、流体の流れには不連続性が存在します。滑り面（3次元）または滑り線（2次元）は、接線速度が不連続である一方、圧力と法線速度は連続となる平面です。接触不連続面を挟んで、圧力と速度は連続ですが、密度は不連続となります。強い膨張波やせん断層にも、不連続のように見える高勾配領域が含まれることがあります。これらの流れ構造と衝撃波に共通する特徴や、数値解析および実験ツールの不十分さから、実際には2つの重要な問題が生じます。（1）衝撃波の一部が検出できない、またはその位置が誤って検出される、（2）衝撃波ではない流れ構造が誤って衝撃波として検出される。

実際、衝撃波を正しく捕捉して検出することは重要です。衝撃波には次のような影響があるからです。(1) 全圧の損失を引き起こし、スクラムジェット エンジンの性能に関連する懸念が生じる可能性があります。(2) 機体下面の斜め衝撃波により高圧が生じて揚力が生成されるため、ウェーブ ライダー構成に揚力をもたらします。(3) 高速機の造波抵抗を引き起こし、機体性能に悪影響を及ぼします。(4) 厳しい圧力負荷と熱流束を引き起こします。たとえば、タイプ IV の衝撃波と衝撃波の干渉により、機体表面の加熱が 17 倍に増加する可能性があります。(5) 境界層などの他の構造と相互作用して、流れの剥離、遷移などの新しい流れ構造を生成します。

参照

参考文献

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さらに読む

ウィキメディア コモンズには、衝撃波に関連するメディアがあります。
  • NASAグレン研究センターの情報:
    • 斜め衝撃
    • 多重交差ショック
    • 拡張ファン
  • セルカーク大学：航空イントラネット：高速（超音速）飛行
    • 衝撃波におけるエネルギー損失、垂直衝撃波と斜め衝撃波
    • 通常の衝撃波の形成
  • 圧縮性流れの基礎、2007年
  • NASA 2015 シュリーレン画像 衝撃波 T-38C