超音速

超音速とは

超音速（ちょうおんそく、英: supersonic speed）は、物体が媒質中を移動する際の速度が、その媒質における音速を超えることを指します。この音速を測る基準として、マッハ数が広く使われています。具体的には、マッハ数が1以上の状態が超音速に該当します。ただし、気温や気圧によって音速が変化するため、マッハ数を用いた測定には注意が必要です。たとえば、一般的に利用される超音速機の性能仕様では、922 km/h（340.31 m/s）という速度がマッハ1と見なされることが多いです。

音速とその影響

音速とは、媒質中を伝達される振動の最高速度を指し、これを超えた超音速では衝撃波を伴う特異な現象が発生します。たとえば、航空機がこの速度に達すると、その先端から衝撃波が前方に広がります。しかし、航空機周辺の流体（空気など）は複雑な流れ（乱流）を持っているため、全ての部分で超音速である必要はなく、一部で超音速に達している部位も存在し得るのです。

このため、航空機の設計や運用では、亜音速から超音速にかけての流れを「遷音速」として特別な制約があります。遷音速域では、亜音速の気流と超音速の気流が同時に存在し、これによって発生する衝撃波も無視できない問題となります。

超音速現象の観測

航空機の衝撃波を観察する手法は、シュリーレン法が代表的です。これは太陽の光を利用して衝撃波を撮影する方法ですが、従来は非常に限られた条件下（太陽面通過時）でのみ有効でした。ところが、2015年にアメリカ航空宇宙局が開発した『背景指向シュリーレン（BOS）法』によって、より柔軟な観測が可能になりました。

マッハ数による分類

超音速は、流れの速度に基づいてさまざまな条件に分類されています。

• - 非圧縮性流れ: マッハ数0.3以下で、温度変化を無視できる流れ。航空機の離着陸時などが該当し、低速風洞で試験されます。
• - 亜音速: マッハ数0.3以上で、流れ全体が音速未満。流れの温度変化に注意が必要です。
• - 遷音速: マッハ数1前後。衝撃波が生成され、音の壁と呼ばれます。
• - 超音速: マッハ数1.3から5.0。多くのジェット戦闘機がこの速度に達し、特にマッハ数3では熱の壁問題が重要です。
• - 極超音速: マッハ数5.0以上。スペースシャトル再突入時などに該当します。

これらの速度境界を通過する際、特に大気圏再突入カプセルのようなものは、多くのデータを必要とし、複雑な流体動力学を引き起こします。

超音速の利点と課題

超音速によって発生する衝撃波やソニックブームは、地上に到達した際に建物のガラスを破損させるなどの影響を持つため、運用には多くの制約があります。また、エンジン効率が低く、運用コストが非常に高くなるため、主に軍用機のみが実際に超音速飛行を行っています。一般的には亜音速機が優先され、効率や環境への配慮からも基本的な選択となります。

歴史的な背景

1947年にチャック・イェーガーが操縦するX-1がマッハ1.06という記録を達成し、これが有人超音速飛行の始まりとされています。続く1961年には旅客機として初めて超音速飛行を達成した作例もあり、時代とともに技術は進展しました。

超音速の研究開発は続けられており、新技術やアイデアが今後も航空分野に革新をもたらしていくことでしょう。

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