衝撃波

物理学において、衝撃波（ shockwaveとも表記）またはショックとは、媒質内の局所的な音速よりも速く移動する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、媒質中を伝播することができるが、媒質の圧力、温度、密度が突然、ほぼ不連続に変化するのが特徴です。 ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}

比較のために言うと、超音速の流れでは、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可能性がある。付随する膨張波は衝撃波に近づき、最終的に衝突して再結合し、破壊的な干渉のプロセスを作り出す可能性がある。超音速航空機の通過に伴うソニックブームは、建設的な干渉によって生成される音波の一種である。

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距離とともに比較的急速に消散します。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、エントロピーが増加します。この物質の特性の変化は、仕事として抽出できるエネルギーの減少、および超音速物体に対する抗力として現れます。衝撃波は、非常に不可逆的なプロセスです。

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 を超えると、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。
• 接触前線: 駆動ガスによって引き起こされる衝撃波 (たとえば、高性能爆薬が周囲の空気に与える「衝撃」) において、駆動ガス (爆発物) と駆動ガス (空気) の境界。接触前線は衝撃前線の後に続きます。

衝撃波を特徴付け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とどのように類似しているかを示しています。

物体（または外乱）が周囲の流体に情報が伝わるよりも速く移動すると、外乱の近くの流体は外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]空気中の衝撃波の厚さの測定では、約200 nm（約10 ⁻⁵インチ）という値が得られました。 ^[8]これは、ガス分子の平均自由行程と同じ桁です。連続体に関して言えば、流れ場が2次元または3次元の場合、衝撃波はそれぞれ線また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、周囲の空気を押すことで形成されます。^[9]これが発生する領域では、流れに逆らって移動する音波がそれ以上上流に移動できない地点に到達し、その領域で圧力が徐々に増加し、高圧の衝撃波が急速に形成されます。

衝撃波は、従来の音波とは異なります。衝撃波は、ガスの特性の非常に急激な変化の形をとります。空気中の衝撃波は、大きな「割れる」または「パキッ」という音として聞こえます。より長い距離では、衝撃波は非線形波から線形波に変化し、空気を加熱してエネルギーを失うにつれて、従来の音波に退化します。音波は、航空機の超音速飛行によって一般的に発生する ソニックブームの「ドスン」または「ドン」という音として聞こえます。

衝撃波は、超音速流中のガスを圧縮する数種類の方法のうちの 1 つです。その他の方法としては、プラントル・マイヤー圧縮などの等エントロピー圧縮があります。ガスの圧縮方法により、一定の圧力比で温度と密度が異なりますが、これは非反応性ガスの場合、解析的に計算できます。衝撃波圧縮により全圧が失われるため、スクラムジェットの吸気口など、一部の用途ではガスを圧縮する方法としては効率が悪いと言えます。超音速航空機で圧力抵抗が発生するのは、主に衝撃圧縮が流れに与える影響によるものです。

理想気体を利用する初等流体力学では、衝撃波は、衝撃が通過するとエントロピーが急激に増加する不連続点として扱われる。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 つの面は流体媒体の衝撃前側に、もう 1 つは衝撃後側にある）。2 つの面は、衝撃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、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（熱が出入りしない）であり、仕事は行われていないと想定される。ランキン・ユゴニオ条件は、これらの考慮から生じる。

確立された仮定を考慮すると、下流特性が亜音速になるシステムでは、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考えられます。システム内のエネルギーの総量は一定であるため、よどみエンタルピーは両方の領域で一定のままです。ただし、エントロピーは増加しており、これは下流流体のよどみ圧力の低下によって説明される必要があります。

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ずれている衝撃波は斜め衝撃波と呼ばれます。これらの衝撃波には流れの成分ベクトル解析が必要です。これにより、斜め衝撃波に直交する方向の流れを通常の衝撃波として扱うことができます。

斜めの衝撃波が表面に留まらない角度で発生する可能性がある場合、衝撃波が物体の周囲に連続パターンを形成する非線形現象が発生します。これらは、バウショックと呼ばれます。これらの場合、1D フロー モデルは有効ではなく、表面に及ぼされる圧力力を予測するには、さらに分析を行う必要があります。

衝撃波は、通常の波が急峻になることで形成されることがあります。この現象の最もよく知られた例は、海岸で砕波を形成する海洋波です。浅瀬では、表面波の速度は水深に依存します。入ってくる海洋波は、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、波間の谷間よりも各波の山頂付近で波速がわずかに速くなります。波の山頂が谷間を追い越し、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、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起こるが、これは音速が温度と圧力に依存するためである。強い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し、その結果高圧面が対応する圧力面の谷を追い越す。トロンボーンなどの金管楽器の音圧レベルが高くなり、急峻化が起こり、楽器の明るい音色の重要な部分を形成するという理論がある。^{[10]このプロセスによる衝撃波の形成は通常、地球の大気圏内の密閉されていない音波には起こらないが、太陽内部から上方に伝播する波を介して}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る。

衝撃波は、物体の接近を「知っている」移動物体の上流の最遠点として説明できます。この説明では、衝撃波の位置は、特殊相対性理論で説明されている光円錐に類似して、衝撃駆動イベントに関する情報を持たない領域と衝撃駆動イベントを認識している領域との間の境界として定義されます。

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、航空機の周囲の空気領域は音速とまった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、高速道路の交通渋滞のように、互いに重なり合います。衝撃波が形成されると、局所的な空気圧が上昇し、横に広がります。この増幅効果により、衝撃波は非常に強くなり、遠くから聞くと爆発音のようになります (偶然ではありません。爆発は衝撃波を発生させます)。

類似の現象は流体力学以外でも知られています。たとえば、屈折媒体（光速が真空中よりも遅い水など）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で目に見える衝撃効果を生み出します。

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。

• 通常、衝撃波が静止した媒体に伝播することで構成される
• この場合、衝撃波の前方のガスは（実験室のフレーム内で）静止しており、衝撃波の後方のガスは実験室のフレーム内で超音速になることがあります。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 つのガス体間の元の圧力比の関数です。
• 移動衝撃は通常、異なる圧力の 2 つのガス体の相互作用によって生成され、衝撃波は低圧ガスに伝播し、膨張波は高圧ガスに伝播します。
• 例: 風船の破裂、衝撃管、爆発による衝撃波。

• 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を通過する波を伴います。媒体の化学反応は衝撃波に続いて起こり、反応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、衝撃波面の後ろで起こる化学反応によって発生するため、通常の衝撃波とは少し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、サポートされていない自己伝播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のために、衝撃波が周囲の空気に伝播する原因にもなります。
• TNTなどの高性能爆薬(爆発速度6,900 m/s)によって衝撃波が発生すると、その衝撃波は発生地点から常に超音速で移動します。

• これらの衝撃波は湾曲しており、機体前方にわずかな距離を形成します。機体の正面では、衝撃波は流れに対して 90 度で立ち、その後、機体の周りを曲がります。分離した衝撃波では、衝撃波付近の流れについて、付着した衝撃波と同じタイプの解析計算が可能です。鈍い機体前方の衝撃波の距離を規定する規則は複雑で、機体の形状の関数であるため、これらは継続的な関心の対象となっています。さらに、衝撃波のスタンドオフ距離は非理想気体の温度によって大幅に変化するため、機体の熱保護システムへの熱伝達に大きな違いが生じます。このトピックに関する詳細な説明は、大気圏再突入を参照してください。これらは、解析方程式の「強い衝撃波」解に従っており、つまり、偏向角の限界に非常に近い一部の斜めの衝撃波では、下流のマッハ数が亜音速になります。バウショックまたは斜めの衝撃波も参照してください。
• このような衝撃は、最大偏向角を超えたときに発生します。分離衝撃は鈍い物体でよく見られますが、マッハ数が低い場合は鋭い物体でも見られることがあります。
• 例: 宇宙帰還機 (アポロ、スペースシャトル)、弾丸、磁気圏の境界 (バウショック) 。「バウショック」という名前は、水中を移動する船やボートの船首 (前部) に形成される分離した衝撃波であるバウ波の例に由来しており、その遅い表面波速度は簡単に超えられます (海洋表面波を参照)。

• 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、空気力学における典型的な構造です。これは、完全ガスおよび非粘性流れ場の場合、上流マッハ数と衝撃角がわかれば、圧力比、温度比、くさびの角度、下流マッハ数をすべて計算できる解析解が利用できるためです。衝撃角が小さいほど上流マッハ数は大きくなり、衝撃波が接近する流れに対して 90° にある特殊なケース (法線衝撃) はマッハ数 1 に関連します。これらは、解析方程式の「弱衝撃」解に従います。

衝撃波は、傾斜した水路や斜面を流れる高密度の粒状物質の急流でも発生することがあります。高速の高密度粒状物質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に分析することができます。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立てられた障害壁に衝突する構成を考えてみましょう。衝突により、流動状態が、高速で移動する超臨界の薄い層から停滞した厚い堆積物へと突然変化します。この流動構成は、超臨界から亜臨界の流れ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。

天体物理学的環境では、さまざまな種類の衝撃波が発生します。一般的な例としては、星間物質を伝わる超新星衝撃波や爆風、地球の磁場が太陽風と衝突して発生する弓状衝撃波、銀河同士の衝突によって発生する衝撃波などがあります。天体物理学におけるもう 1 つの興味深い衝撃波は、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または終結衝撃波です。

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。^[11]ツングースカ事件と2013年のロシアの隕石衝突は、巨大な隕石によって発生し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何十倍もの威力があった。隕石の衝撃波は、超音速ジェット機の接近飛行（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事故を引き起こした（写真）。

以下の例では、衝撃波は制御され、（例えば、翼型によって）生成されるか、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。

• 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
• 遷音速翼の吸引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装置の製造業者にとって特に興味深いものです。遷音速プロファイルに接触するポイントで境界層の剥離を引き起こす可能性があるためです。これによりプロファイル上で完全な剥離と失速、抗力の増加、または衝撃バフェット (剥離と衝撃波が共振状態で相互作用し、基礎構造に共振荷重が発生する状態) が発生する可能性があります。

• 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:
  • 超音速推進の場合：ラムジェット、スクラムジェット、アンスタート。
  • 流量制御の場合：ニードルバルブ、チョークベンチュリ。
• 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斜め衝撃波の一部では、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の境界層の成長によって発生します。

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。

メモリスタでは、外部から印加された電界下で、遷移金属酸化物全体に衝撃波が発生し、高速かつ不揮発性の抵抗率変化が生じる。^[12]

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。^{[13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]}

数値流体力学は、衝撃波を伴う流れ場を求めるために一般的に用いられる。衝撃波は鋭い不連続面であるが、不連続面（衝撃波、接触不連続面、すべり線）を伴う流体の流れの数値解析では、低次の数値法によって衝撃波を平滑化することができる（数値散逸による）、または高次の数値法によって衝撃波面付近に偽の振動が生じる（ギブス現象による^[20]）。

衝撃波以外にも、流体の流れには不連続性があります。すべり面 (3D) またはすべり線 (2D) は、圧力と法線速度が連続しているのに対し、接線速度が不連続である平面です。接触不連続性では、圧力と速度は連続していますが、密度は不連続です。強い膨張波またはせん断層には、不連続のように見える高勾配領域が含まれることもあります。これらの流れ構造と衝撃波の共通の特徴と、数値および実験ツールの不十分な側面により、実際には 2 つの重要な問題が発生します。(1) 衝撃波の一部は検出できないか、位置が誤って検出されます。(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ます。

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となる可能性があります。(2) 車両の下面で斜めの衝撃波が高圧を生成して揚力を生み出すことができるため、ウェーブ ライダー構成に揚力を提供します。(3) 高速車両の波抵抗を引き起こし、車両の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、車両表面の加熱が 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。

Nikonov, V. 衝撃波に対する数値粘性を考慮しないセミラグランジュゴドゥノフ型法。流体 2022, 7, 16. https://doi.org/10.3390/fluids7010016

• Krehl, Peter OK (2011)、「衝撃波物理学とデトネーション物理学 - 科学と工学における数多くの新しい分野の出現の刺激」、European Physical Journal H、36 (1): 85–152、Bibcode :2011EPJH...36...85K、doi :10.1140/epjh/e2011-10037-x、S2CID  123074683。

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、垂直衝撃波および斜め衝撃波におけるエネルギー損失
  • 通常の衝撃波の形成
• 圧縮性流れの基礎、2007
• NASA 2015 シュリーレン画像 衝撃波 T-38C