简介说明

马赫盘是一种在纹影摄影上可见的结构。当超音速空气射流在低压下从喷管排放到静止的高压空气中会出现马赫盘。又叫做马赫环，英文为ShockDiamond，指的是导弹或飞机发动机尾部喷射出的火焰呈现出来一环一环的样子，这是由于气体在出口继续膨胀，然后受背压环境的压缩而产生的激波发光造成的。在飞行速度达到音速的十分之九，即马赫数Ma=0.9(约950公里/小时)时，局部气流的速度可能就达到音速，产生局部激波。这种现象不需要飞行器超音速飞行下产生，只要飞机出口气流达到超音速就可以出现，发动机地面试车就可以看到。马赫盘可以出现在任何超音速排气中，无论是液体火箭发动机、固体火箭发动机或喷气发动机。

产生原理

当气体过膨胀时，与外部大气相比，排气中的气体压强较低，导致排气被压缩或向内挤压。这种压缩会增加排气压强。然而，由于流量可能被压缩得太多，以致其压强超过大气压强。此时，气流再次向外扩张以降低压强。这一过程也可能持续很久，导致羽流内部压强再次低于环境压强。随着时间的推移，压缩和膨胀过程不断重复，排气中的气体压强和外部大气压强之间的差异逐渐减小，直到排气压强与环境大气压强相同。

形成过程

当发动机喷嘴排出过膨胀气流时，靠近中心线的气流将平行于喷嘴纵轴中心线流动。然而，自由射流边界以外的环境大气压强高于排气压强，迫使排气流向朝中心线向内改变。这种改变通过一种称为斜激波（oblique shock wave）的波实现。斜激波的方向与流经它的气流方向成一定角度，并且使经过的气流压强增大。特别地，垂直于气流方向的激波称为正激波（normal shock wave）。

当气流再次平行于中心线旋转时，正激波出现并在排气流中产生一个马赫盘。通过这个正激波的气流温度会升高，导致排气中的多余燃料被点燃，从而使燃料燃烧，使马赫盘发光并形成可见的环形图案。和斜激波一样，正激波也会增加排气的压强，当排气压强大于周围大气的压强时，气流开始向外流动，发生膨胀。这种变化是通过一系列的膨胀波（expansion wave）实现的，这些膨胀波从自由射流边界反射到中心线。这些波使气流向外流动并且使气流的压强降低。然后，膨胀波在中心线处和在喷嘴的另一侧形成的膨胀波相遇，开始向外反射。当气流通过这些反射的膨胀波时，会平行于中心线流动并再次降低压强。这两组膨胀波统称为膨胀扇（expansion fan）。当膨胀波到达自由射流边界时，会再次向内反射，产生压缩波（compression wave）和压缩风扇（compression fan）。这些压缩波迫使气流向内流动并增加压强。如果压缩波足够强，它们将合并成一个斜激波，形成一个新的马赫盘，类似于喷嘴出口附近的马赫盘。这一系列的压缩和斜激波会增加排气流的压强，导致形成新的膨胀扇。这个过程一次又一次地重复，创造出一系列的马赫盘。

类似的过程发生在从高空喷嘴流出的欠膨胀气流中。压缩和膨胀的顺序与过膨胀喷管所描述的顺序相同，只是它从膨胀扇的产生开始，导致气流最初向外流动，而不是向内压缩。无论如何，随后的一系列膨胀和压缩都会导致下游形成相同的马赫盘。

在理想气体中，这种膨胀和收缩的过程将一直持续下去，创造出无穷多的马赫盘。然而，实际气体并不理想，在环境大气和排气之间的自由射流边界产生的摩擦导致湍流剪切层的形成。该层产生粘性阻尼，逐渐消散波浪结构。这种粘性摩擦最终平衡了排气和周围大气之间的压强差，从而使马赫盘不再形成。

现象实例

2024年11月12日，在第十五届中国航展开幕式上，中型隐身多用途战斗机歼-35a正式亮相，在珠海金湾机场上空进行了首次飞行表演，并在表演的过程中开加力出现马赫环。