ショックダイヤモンド

ショック ダイヤモンド(マッハ ダイヤモンドまたはスラスト ダイヤモンドとも呼ばれる) は、超音速ジェット エンジン、ロケット、ラムジェット、スクラムジェットなどの航空宇宙推進システムが大気圏内で作動しているときに、その超音速 排気煙に現れる定在波パターンの形成です。この「ダイヤモンド」は実際には複雑な流れ場であり、排気が一連の定在衝撃波と膨張ファンを通過するときに、局所的な密度と圧力が急激に変化することで可視化されます。物理学者のエルンスト マッハは、流体の流れの方向に対して垂直な強い衝撃波の存在がダイヤモンド パターンの原因であると初めて説明しました。^{[1] : 48}

衝撃ダイヤモンドは、推進ノズルからの超音速排気がわずかに過剰膨張したときに形成されます。つまり、ノズルから排出されるガスの静圧が周囲の気圧よりも低くなります。周囲の圧力が高いほど流れが圧縮され、排気ガス流の圧力上昇は断熱的であるため、速度が低下すると静温度が大幅に上昇します。^[2]排気は通常、気圧が高い低高度で過剰膨張します。

流れがノズルから出ると、周囲の空気圧によって流れが圧縮される。^[2]外部圧縮は、流れに対して斜めの衝撃波によって生じる。圧縮された流れはプラントル・マイヤー膨張ファンによって交互に膨張し、各「ダイヤモンド」は斜めの衝撃波と膨張ファンの組み合わせによって形成される。圧縮された流れが中心線と平行になると、流れに対して垂直な衝撃波、つまりマッハディスクが形成される。これが最初の衝撃ダイヤモンドの位置であり、それとノズルの間の空間は「沈黙の領域」と呼ばれる。^[3]ノズルから最初の衝撃ダイヤモンドまでの距離は、次のように近似できる。

$${\displaystyle x=0.67D_{0}{\sqrt {\frac {P_{0}}{P_{1}}}},}$$

ここでxは距離、D0_はノズル径、P0_は流量圧力、P1_は大気圧である。^[3]

排気ガスが通常の衝撃波を通過すると温度が上昇し、余分な燃料に点火して衝撃ダイヤモンドが見えるほどの輝きが生じます。^[2]照らされた領域はディスクまたはダイヤモンドのように見えるため、その名前が付けられています。

最終的に流れは十分に膨張し、圧力が再び周囲圧力を下回り、その時点で膨張ファンが接触不連続点（流れの外縁）で反射します。反射波は圧縮ファンと呼ばれ、流れを圧縮します。^[2]圧縮ファンが十分に強い場合、別の斜めの衝撃波が形成され、2番目のマッハディスクと衝撃ダイヤモンドが作成されます。ガスが理想的で摩擦がない場合、ディスクとダイヤモンドのパターンは無限に繰り返されます。 ^[2]ただし、接触不連続点の乱流せん断により、波のパターンは距離とともに消散します。^[4]

ダイヤモンドパターンは、高高度で大気圧が低い場合にノズルが膨張不足（出口圧力が周囲圧力より高い）になったときにも同様に形成される可能性があります。この場合、膨張ファンが最初に形成され、その後に斜め衝撃波が発生します。^[2]

衝撃ダイヤモンドはジェットやロケットの推進力と最もよく関連していますが、他のシステムでも形成されることがあります。

砲弾が発射されると、ガスが超音速で砲口から噴出し、一連の衝撃ダイヤモンドを発生させます。ダイヤモンドは明るい砲口閃光を引き起こし、敵に砲座の位置を明かす可能性があります。流れの圧力と大気圧の比率が近い場合、つまりフラッシュサプレッサーを使用すると、衝撃ダイヤモンドが大幅に最小限に抑えられることがわかりました。砲口の端にマズルブレーキを追加すると、圧力のバランスが取れ、衝撃ダイヤモンドを防ぐことができます。 ^{[1] : 41}

クエーサーや電波銀河から放出される強力なプラズマのジェットである電波ジェットには、電波放射が強化された節が規則的に並んでいることが観測されている。^{[1] : 68}ジェットは宇宙空間の薄いガスの「大気」の中を超音速で移動するため、^{[1] : 51}これらの節は衝撃ダイヤモンドであると仮定されている。^{[5] [6]}

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ウィキメディア・コモンズには、ショックダイヤモンドに関連するメディアがあります。

• 「メタン ブラスト」 - XCOR Aerospace 社が製造した NASA のメタン エンジン内で形成される衝撃ダイヤモンド、NASA ウェブサイト、2007 年 5 月 4 日
• 「ショック ダイヤモンドとマッハ ディスク」 - このリンクには役立つ図表があります。Aerospaceweb.org は、航空宇宙分野のエンジニアと科学者によって運営されている非営利サイトです。