一、什么是马赫环？

马赫环（Shock Diamond），又称马赫盘，是喷气发动机、火箭等超音速尾流中出现的周期性亮环现象。它的本质是超音速气流在压力差驱动下，通过反复膨胀与压缩形成的驻波结构，表现为明暗交替的环状光带。这一现象得名于物理学家恩斯特·马赫，其形成需满足两个核心条件：超音速气流与气流压力与环境压力不匹配。

二、马赫环的形成机制

1. 超音速气流的基础条件

超音速气流的产生依赖于拉瓦尔喷管（收敛-扩张型喷管）。气流在喷管最窄处（喉部）达到音速，随后在扩张段加速至超音速。喷管出口的截面积比决定了最终流速。

2. 压力差驱动的膨胀-压缩循环

当超音速气流离开喷管时，若其压力与环境压力不等，会触发周期性震荡：

  • 过膨胀状态（气流压力<环境压力）：气流被外界压缩，形成激波，压力骤升；
  • 过压缩状态（气流压力>环境压力）：气流膨胀降压，产生膨胀波。

    • 这一过程反复进行，直至压力平衡，形成驻波结构。

    3. 激波与燃烧的协同作用

    在膨胀-压缩的交界处，激波导致局部温度急剧升高。若尾流中含有未燃尽的燃料，高温会触发二次燃烧，发出明亮光芒，形成可见的“亮环”；而压缩区域因密度增大、温度降低，表现为暗区。

    三、影响马赫环形态的关键因素

    1. 气流参数

  • 马赫数：流速越高，激波强度越大，马赫环越密集；
  • 压力比（喷流压力/环境压力）：差值越大，环数越多，亮度越高。

    • 2. 喷管设计与燃料特性

  • 喷管长度与形状：较长的喷管使马赫环更靠近出口，尺寸更小；
  • 燃料成分：含碳燃料燃烧时产生橘色光，液氧-甲烷等清洁燃料则呈现蓝色。

    • 3. 环境条件

  • 飞行高度：高空低气压环境更易形成明显马赫环；
  • 湿度与温度：湿空气中水蒸气可增强光线散射，使马赫环更易观测。

    • 四、马赫环的工程意义与技术挑战

    1. 性能诊断工具

    马赫环：超声速喷流中冲击波周期性亮环的形成机制解析

    马赫环的亮度、环数可间接反映发动机燃烧效率与推力稳定性。例如，歼-20B尾焰中连续透亮的马赫环表明其涡扇-15B发动机燃烧充分、推力强劲。

    2. 热载荷与结构风险

    激波导致的局部高温可能加剧尾喷管材料的热疲劳，需通过热障涂层与冷却流道设计进行防护。

    3. 推力损失与优化

    马赫环的形成伴随能量耗散，可能降低推力效率。采用可变截面喷管可调节压力比，减少不必要的激波损失。

    五、实用建议：如何优化设计与观测

    1. 发动机设计改进

  • 使用可调喷管以适应不同飞行状态的压力需求；
  • 优化燃料混合比例，减少未燃尽颗粒以降低热负荷。

    • 2. 地面试车与测试

  • 通过高速摄像机记录马赫环动态，分析激波频率与位置；
  • 结合计算流体力学（CFD）模拟，预测不同工况下的尾流特性。

    • 3. 观测与科普应用

  • 在航展或发动机试车时，选择逆光角度拍摄以增强马赫环对比度；
  • 利用简化模型（如小型拉瓦尔喷管）演示膨胀-压缩过程，辅助教学。

    • 六、

    马赫环：超声速喷流中冲击波周期性亮环的形成机制解析

    马赫环不仅是超音速飞行的标志性现象，更是气体动力学与工程设计的交汇点。从激波震荡到燃烧控制，其背后蕴含着复杂而精密的物理规律。通过科学设计与管理，人类正不断突破技术边界，将这一“空中钻石”转化为提升飞行器性能的关键助力。