極超音速

空気力学において、極超音速とは音速よりもはるかに速い速度、通常はマッハ5以上を指します。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

機体が極超音速で飛行していると言える正確なマッハ数は、気流の個々の物理的変化（分子解離やイオン化など）が異なる速度で発生するため、様々である。これらの効果は、マッハ5～10付近で総合的に重要になる。極超音速領域は、移動物体の運動エネルギーが熱に変換されるにつれて、流れの温度に応じて比熱容量が変化する速度として定義することもできる。^{[ 4 ]}

極超音速兵器とは、一般的にマッハ5を超える速度での空力飛行と機動のために設計された、ブースト・グライド機または巡航ミサイルのことである。

大気圏突入時には、極めて高い極超音速に達する。宇宙機はこの速度域での飛行が可能となるよう設計されている。ノースアメリカンX-15とスペースシャトル・オービターは、マッハ5を超える速度で飛行した唯一の有人宇宙機である。

極超音速流の定義はかなり曖昧な場合があるが^{[ 1 ] [ a ]、}極超音速流は非常に速い超音速流における特定の物理現象によって特徴付けられる可能性がある。^{[ 5 ]}

極超音速流の特徴は以下のとおりである。

1. 衝撃層^{[ 1 ]}
2. 衝撃相互作用 - 空力熱: ^{[ 6 ]} 胴体の空力加熱^{[ 1 ] [ 7 ]}
3. エントロピー層
4. 実在気体効果
5. 低密度効果
6. 空気力係数のマッハ数に対する独立性。

「亜音速」と「超音速」は通常、それぞれ局所音速より低い速度と高い速度を指しますが、空気力学者はこれらの用語を特定のマッハ値の範囲を指すためによく使用します。航空機が遷音速（マッハ1 付近）に近づくと、特別な領域に入ります。亜音速設計にはよく機能するナビエ・ストークス方程式に基づく通常の近似は、自由流であっても流れの一部が局所的にマッハ 1 を超えるため、破綻し始めます。したがって、この複雑な挙動を扱うには、より高度な方法が必要です。^{[ 9 ]}

「超音速領域」とは、通常、線形化理論が適用可能なマッハ数の範囲を指します。例えば、空気の流れが化学反応を起こさず、空気と機体間の熱伝達を計算で合理的に無視できる場合などです。一般的に、NASAは「高」極超音速をマッハ数10から25までの範囲と定義し、再突入速度をマッハ25を超える範囲と定義しています。これらの領域で運用されている宇宙船には、帰還中のソユーズ宇宙カプセルやドラゴン 宇宙カプセル、以前運用されていたスペースシャトル、 SpaceXのスターシップやロケットラボのエレクトロンなど開発中の様々な再利用可能な宇宙船、そして（理論上の）スペースプレーンなどがあります。

以下の表では、「亜音速」と「超音速」の通常の意味ではなく、「マッハ数の範囲」または「領域」が参照されています。

気流の分類は、多数の類似性パラメータに基づいて行われ、これによりほぼ無限の数の試験ケースを類似性のグループに単純化することが可能になります。遷音速および圧縮性流体の場合、マッハ数とレイノルズ数だけでも、多くの流れのケースを適切に分類できます。

しかし、極超音速流では、他の相似パラメータが必要となります。まず、斜め衝撃角の解析式は、高マッハ数（~>10）ではマッハ数にほとんど依存しなくなります。次に、空力物体の周囲に強い衝撃波が形成されるため、自由流レイノルズ数は物体上の境界層の挙動を推定する指標としてあまり有用ではなくなります（ただし、依然として重要です）。最後に、極超音速流の温度上昇により、実在気体の影響が重要になります。そのため、極超音速の研究は、空力学ではなく、空力熱力学と呼ばれることが多いのです。^{[ 10 ]}

実在気体効果の導入により、気体の完全な状態を記述するにはより多くの変数が必要になります。静止気体は 3 つの変数 (圧力、温度、断熱指数) で記述でき、移動する気体は 4 つの変数 (流速) で記述できますが、化学平衡状態にある高温気体では気体の化学成分の状態方程式も必要となり、非平衡状態にある気体では時間を追加の変数としてこれらの状態方程式を解きます。つまり、非平衡流の場合、任意の時点での気体の状態を記述するには 10 ～ 100 個の変数が必要になる可能性があります。さらに、希薄極超音速流 (通常、クヌーセン数が0.1 を超えるものと定義されます) はナビエ・ストークス方程式に従いません。

極超音速流は通常、総エネルギー（総エンタルピー（MJ/kg）、総圧力（kPa-MPa）、よどみ圧力（kPa-MPa）、よどみ温度（K）、または流速（km/s）で表される）によって分類されます。

ウォレス・D・ヘイズは、ウィットコム面積則に類似した相似パラメータを開発し、類似した形状を比較できるようにした。細長い物体上の極超音速流の研究では、自由流マッハ数の積が${\displaystyle M_{\infty }}$流れの偏向角${\displaystyle \theta }$極超音速類似性パラメータとして知られる：$${\displaystyle K=M_{\infty }\theta }$$は重要な支配パラメータと考えられている。^{[ 10 ]}車両の細長比${\displaystyle \tau =d/l}$、 どこ${\displaystyle d}$直径と${\displaystyle l}$は長さであり、しばしば に置き換えられます${\displaystyle \theta }$。

極超音速流は、おおよそいくつかの領域に分類できる。しかし、特定の現象が見られる境界が曖昧なため、これらの領域の区別は大まかなものである。

エンジン

• ロケットエンジン
• ラムジェット
• スクラムジェット
• 反動エンジンSABRE、LAPCAT（設計研究）

ミサイル

• 3M22ジルコン対艦極超音速巡航ミサイル（生産中）
• ブラモスII巡航ミサイル – （開発中）

その他の流れの形態

• 亜音速飛行
• トランソニック
• 超音速

• NASAの極超音速ガイド
• インペリアル・カレッジの極超音速グループ
• クイーンズランド大学極超音速研究センター
• ニューサウスウェールズ大学高速流グループ
• オックスフォード大学極超音速研究グループ（2021年8月14日、Wayback Machineにアーカイブ済み）