超高音速

在空气动力学中，高超音速是指超过音速 5 倍的速度，通常表示起始速度为 5 马赫及以上。

可以说飞行器以高超音速飞行的精确马赫数各不相同，因为气流中的个体物理变化（如分子解离和电离）以不同的速度发生； 这些影响在 5-10 马赫左右共同变得重要。 高超音速状态也可以替代地定义为比热容随流动温度变化的速度，因为移动物体的动能转化为热量。

虽然高超音速流的定义可能非常模糊并且通常是有争议的（特别是由于超音速和高超音速流之间不存在不连续性），但高超音速流的特征可能是某些物理现象，这些物理现象不能再像超音速流那样在分析上打折扣 . 高超音速流的特点如下：

• 冲击层
• 气动加热
• 熵层
• 真实气体效果
• 低密度效应
• 气动系数与马赫数的独立性。

随着物体马赫数的增加，物体产生的弓形激波后的密度也会增加，这对应于由于质量守恒而导致激波后的体积减小。 因此，在更高的马赫数下，弓激波与车身之间的距离会减小。

随着马赫数的增加，激波的熵变也会增加，这会导致强熵梯度和与边界层混合的高度涡流。

由于粘性效应，与高马赫数流动相关的一部分大动能转化为流体中的内能。 内能的增加表现为温度的升高。 由于边界层内垂直于流动的压力梯度对于低至中等高超音速马赫数近似为零，因此通过边界层的温度升高与密度降低同时发生。 这会导致边界层底部膨胀，从而使身体上方的边界层变厚，并且经常会与身体前缘附近的激波合并。

由于粘性耗散的表现而导致的高温导致非平衡化学流动特性，例如振动激发和分子的解离和电离，导致对流和辐射热通量。

虽然亚音速和超音速通常分别指的是低于和高于当地声速的速度，但空气动力学家经常使用这些术语来指代特定范围的马赫值。 发生这种情况是因为在 M=1 附近存在跨音速状态，其中用于亚音速设计的 Navier-Stokes 方程的近似值不再适用，部分原因是即使自由流马赫数低于该值，流量也会局部超过 M=1。

超音速状态通常指的是可以使用线性化理论的一组马赫数； 例如，（空气）流不发生化学反应，空气和车辆之间的热传递在计算中可以合理地忽略。 一般来说，NASA 将高超音速定义为 10 到 25 马赫数之间的任何马赫数，将再入速度定义为大于 25 马赫数的任何值。

在下表中，引用了马赫值的范围或范围，而不是亚音速和超音速的通常含义。

气流的分类依赖于许多相似性参数，这些参数允许将几乎无限数量的测试用例简化为相似性组。 对于跨音速和可压缩流，仅马赫数和雷诺数就可以很好地对许多流动情况进行分类。

然而，高超音速流需要其他相似性参数。 首先，斜激波角的解析方程在高马赫数(～＞10)时变得几乎与马赫数无关。 其次，空气动力学物体周围强烈冲击的形成意味着自由流雷诺数作为物体边界层行为的估计不太有用（尽管它仍然很重要）。 最后，高超音速流的温度升高意味着实际气体效应变得很重要。 因此，高超声速研究通常被称为空气热力学，而不是空气动力学。