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衝撃波管は、爆発などの高速流を研究するために、センサーやモデルに衝撃波を発生させて照射する装置で、通常はより小規模なスケールで行われます。衝撃波管（および衝撃トンネル、膨張管、膨張トンネルなどの関連する衝撃発生装置）は、他のタイプの試験設備では実現が難しい広範囲の温度と圧力下での空気力学的流れの研究にも使用できます。衝撃波管は、圧縮性流れ現象や気相燃焼反応の調査にも使用されます。最近では、衝撃波管は、生物試料が爆風によってどのように影響を受けるかを研究するために、生物医学研究にも使用されています。[ 1 ] [ 2 ]
衝撃波管内の衝撃波は、小さな爆発（爆風駆動型）によって発生する場合と、高圧の蓄積によって隔膜が破裂し、衝撃波が衝撃波管内を伝播することによって発生する場合（圧縮ガス駆動型）がある。
圧縮駆動式衝撃波管の初期の研究は、1899 年にフランスの科学者ポール・ヴィエイユによって発表されたが、この装置が衝撃波管と呼ばれるようになったのは 1940 年代になってからである。[ 3 ] 1930 年代には、地下メタン爆発を研究するために、英国鉱山安全研究委員会 の W.H. ペイマンと W.C.F. シェパードによって再発見されたが、この用語が造語されたのは、1949 年のブリークニーらの出版物までなかった。[ 4 ] [ 5 ]
1940年代には、衝撃波管への関心が再び高まり、物体上を高速で移動するガスの流れ、気相燃焼反応の化学と物理的ダイナミクスを研究するために衝撃波管がますます使用されるようになった。現代の衝撃波管は、第二次世界大戦中にプリンストン大学でウォーカー・ブリークニー[ 6 ]率いるグループによって開発され、彼らは1946年と1949年に研究の概要を発表した。
1966年、ダフとブラックウェル[ 7 ]は、高性能爆薬で駆動されるタイプの衝撃波管について説明した。これらの衝撃波管は、直径が0.6～2m、長さが3～15mの範囲であった。管自体は低コストの材料で作られており、最大動圧が7MPa～200MPa、持続時間が数百マイクロ秒～数ミリ秒の衝撃波を発生させた。
圧縮駆動式および爆風駆動式の両方の衝撃波管は、現在、科学用途と軍事用途の両方で使用されています。圧縮ガス駆動式衝撃波管は、実験室条件下でより容易に入手および維持できますが、圧力波の形状は爆風波とはいくつかの重要な点で異なり、一部の用途には適さない場合があります。爆風駆動式衝撃波管は、自由場爆風波により現実的な圧力波を生成します。ただし、高性能爆薬を取り扱うための設備と専門家が必要です。また、最初の圧力波に加えて、圧縮ガスの膨張（圧縮駆動式）または急速に膨張するガスの生成（爆風駆動式）によって引き起こされるジェット効果が続き、爆風波が通過した後にサンプルに運動量を伝達する可能性があります。最近では、現実的な爆風波を生成し、より一般的な実験室設備で操作できる、燃料空気混合物で駆動される実験室規模の衝撃波管が開発されました。[ 8 ]ガスのモル体積がはるかに小さいため、ジェット効果は圧縮ガス駆動式衝撃波管の場合のジェット効果のほんの一部です。現在までのところ、これらの衝撃波管は小型で発生するピーク圧力が低いため、材料の予備的な非破壊検査、高速圧力変換器などの測定機器の検証、生物医学研究、および軍事用途に最も有用である。
単純な衝撃波管は、断面が長方形または円形の管で、通常は金属製で、低圧ガスと高圧ガスが何らかの隔膜で分離されています。例えば、Soloukhin、Gaydon、Hurle、Bradley のテキストを参照してください。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]隔膜は、あらかじめ定められた条件下で突然破裂し、低圧セクションを伝播する波を生成します。最終的に形成される衝撃波は、試験ガスの温度と圧力を上昇させ、衝撃波の方向に流れを誘起します。観測は、入射波面の後ろの流れで行うか、反射波の後ろのより長い試験時間と大幅に上昇した圧力と温度を利用することができます。
低圧ガス（駆動ガスと呼ばれる）は衝撃波にさらされる。高圧ガスは駆動ガスと呼ばれる。管の対応する部分も同様に駆動部と被駆動部と呼ばれる。駆動ガスは、安全上の理由から通常は低分子量（例えばヘリウムや水素）で音速の速いものが選ばれるが、衝撃波を挟んだ界面条件を「調整」するためにわずかに希釈されることもある。最も強い衝撃波を得るには、駆動ガスの圧力を大気圧よりかなり低くする必要がある（爆轟前に被駆動部で部分真空状態を作り出す）。
検査は横隔膜の破裂から始まる。[ 12 ]横隔膜を破裂させるにはいくつかの方法が一般的に用いられる。
破裂した隔膜は一連の圧力波を発生させ、それぞれの波は後方の音速を増加させ、圧縮されて駆動ガス中を伝播する衝撃波となる。この衝撃波は駆動ガスの温度と圧力を上昇させ、衝撃波の方向に流れを誘起するが、その速度は先行波よりも遅い。同時に、プラントル・マイヤー波と呼ばれる希薄波が駆動ガス中へと逆方向に伝播する。
限定的な混合が生じる界面は、駆動ガスと被駆動ガスを分離するものであり、接触面と呼ばれ、先行波よりも低い速度で追従する。
「化学衝撃管」は、駆動ガスと被駆動ガスを、あらかじめ定められた遅延時間後に破断するように設計された一対の隔膜で分離し、端部に断面積が大幅に拡大された「排出タンク」を設ける構造になっている。これにより、加熱されたガスの温度を極めて急速に低下させる（急冷する）ことが可能となる。
衝撃波管は、化学反応速度の測定に加えて、解離エネルギーや分子緩和速度の測定にも使用されてきた[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] 。また、空力試験にも使用されている。駆動ガス中の流体の流れは、風洞とほぼ同じように使用でき、ジェットエンジンのタービン部の状態を再現するために、内部でより高い温度と圧力を実現できる[ 18 ]。ただし、試験時間は、接触面の到達または反射衝撃波によって、数ミリ秒に制限される。
これらはさらに発展し、ノズルとダンプタンクを追加した衝撃波トンネルとなった。結果として生じる高温極超音速流は、限られた試験時間ではあるが、宇宙船や極超音速機の大気圏再突入をシミュレートするために使用できる。[ 19 ]
衝撃波管は、さまざまなサイズで開発されています。衝撃波のサイズと発生方法によって、発生する圧力波のピークと持続時間が決まります。そのため、衝撃波管は、実際の爆発とその被害を小規模で模倣するために、センサーや物体に爆風波を発生させて方向付けるツールとして使用できます。ただし、このような爆発は高温や破片、飛散物を伴わないものとします。衝撃波管実験の結果は、破片や飛散物を伴わない周囲の爆風波に対する材料や物体の応答の数値モデルを開発および検証するために使用できます。衝撃波管は、破片や飛散物を伴わない周囲の爆風波を減衰させるのに最適な材料と設計を実験的に決定するために使用できます。その結果は、破片や飛散物を伴わない周囲の爆風波にさらされる可能性のある構造物や人々を保護するための設計に組み込むことができます。衝撃波管は、生物組織が爆風波によってどのように影響を受けるかを調べるための生物医学研究にも使用されています。
古典的な衝撃波管の代替手段もあります。非常に高い圧力での実験室実験では、高強度短パルスレーザーを使用して衝撃波を生成することもできます。 [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
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