弹道之痕（八）——激波阻力

一个高速前进的球形弹丸形成的流场是这样的：

请注意圆球后部形成的绵长涡流区。早期的热兵器发射的都是球形弹丸，其在空中飞行的状况大致就是如此，只不过当时多数武器的初速低于声速，所以不会有前面那一道弧形……可能有的小伙伴已经注意到圆球前面黑又粗的弧形了……哪是什么？其实，那就是激波了。

激波，就是弹丸运动速度进一步增加到接近声速时，将会出现的一种特殊现象，同时会伴随产生强度最大的一种阻力—激波阻力。关于激波产生的通俗解释一般是这样的：物体运动速度达到或超过音速，前面的空气来不及让开，形成了浓密的空气层，阻碍物体的运动。

这种解释比较易懂，但是只能解释弹头部产生的激波，而不能解释激波产生的全部过程。实际上在弹丸在接近但尚未达到声速时，弹体两侧就已经出现激波了，这也是前面为什么讲是“接近”声速时就会出现激波的原因。

激波实际上是由于“超声速气流受到扰动”而产生的。在弹丸速度接近声速时，一般为0.6~0.7马赫之间（马赫数=速度/当地声速，注意是“当地”声速）弹体两侧的气流速度就已经率先达到声速，并出现激波了。

为什么会这样呢？就像上图所展示的那样，迎面而来的气流会被弹体向两侧压缩，同时会加速空气的流速。这个道理就如同捏住橡皮水管口（水流通过的横截面积减小）水流会加速一样（气流被压向两侧相当于减小了气流通过的横截面积）。而弹体表面又不可能是完全光滑的，只要有一点突起或凹陷，就会“打扰”到气流，这种微小的扰动一旦产生就立刻被下一个扰动赶上了（因为气流已经等声速或超声速了），无数个这样的扰动瞬间迭加起来……一道激波就这样形成了。由于是小扰动迭加形成，所以其性质上是“压缩波”。大家可以想象一下，在公路上的高速行驶的车流遇到了一个障碍的情景—在有障碍的地方，车流受到了“扰动”，会减速并挤做一团，非常类似于激波产生的过程。

这时产生的激波被称作“局部激波”，因为确实只在两侧的“局部”才有，而且有一定高度范围，如同一个“泡”。随着气流速度的增加，这个“泡”会向头尾部扩展并最终破裂，发展成为完整的激波。下图是某种翼形上激波产生的全过程，弹丸上的激波是与之类似的。

从一些飞机突破音障时的照片来看，激波都首先产生在横截面积有突变的地方，而不是首先产生在机头部位。

一般情况下，发展完全的激波在弹头、弹尾和弹带（体）各处有一道强度较大的波面，在它们之间，气流每遇到一个微小的凹凸不平处，都会拉出一道较弱的激波，形成如下图那样密密麻麻的激波。每经过一道激波，压强、密度、温度都会升高,流速则下降。

其中以弹头部产生的激波最强，气流经过弹头波面后压力增大，再加上尾部形成的低压区，头尾部的压力差更加显著，仿佛弹丸顶着一把大伞在前进一样。顺着这个想象，也不难得到这样结论—弹头部附近的激波面越斜（斜激波），阻力越小，反之则越大（正激波）。实践表明，产生哪种形状的激波主要由弹头的形状决定，我们可以对比一下各种头部形状产生激波的情况：

不难发现，只要头部越尖，激波就越斜，阻力也越小。其实这也好理解—尖头对空气的扰动肯定比钝头要弱不少，所以激波强度也会降低。

在知道了阻力产生的原理后，剩下的问题就是如何减阻了，这也是弹药外形设计中的一个大问题。