超音速（音速を超える速度）

主な物理的特性

物体が音速を超えて移動すると、いくつかの特徴的な空気力学的現象が現れる。超音速の物体は、波面の前後で圧力、温度、密度が変化する、薄くほぼ不連続な圧力面である衝撃波を生じる。この急激な圧力変化は、衝撃波が観測者に到達した際に地上で聞かれる、よく知られたソニックブームを発生させる。遷音速の速度域の近くでは空気抵抗が急増し、特定の設計および推進技術の進歩が導入されるまで、制御された超音速飛行は歴史的に困難であった。

• マッハ数：音速に対する相対速度を示す無次元の指標（マッハ）。
• 衝撃波とソニックブーム：機体または乗り物から放射される急激な圧力変化。
• 抵抗の増加：造波抵抗が重要となるため、設計者はこれを補償しなければならない（抗力）。
• 温度への依存：音速は温度によって変化するため、局所的な条件が重要である（身近な基準として21.1 ℃）。

速度領域と区分

速度は一般に複数の領域に分類される。亜音速はマッハ1未満、遷音速は流れの一部が超音速となる一方で他の部分は亜音速にとどまる領域であり、多くの場合マッハ0.8～1.2付近を指す。超音速は一貫してマッハ1を上回る速度であり、極超音速は通常、およそマッハ5を超える速度に用いられる。遷音速域を通過する際は、流れ場が急速に変化し、操縦翼面の挙動が予測しにくくなるため、特に困難である。

歴史と実例

単純な物体は、動力飛行機よりはるか以前から局所的に超音速へ達していた。素早く振られた鞭の先端が鳴らす音は小さな超音速衝撃波によるものであり、ライフル弾や砲弾などの飛翔体は19世紀には超音速となっていた。レシプロ機と初期のジェット機は、20世紀前半に、空気力学および操縦上の問題の総称である、いわゆる「音の壁」に初めて直面した。この壁を制御された飛行で突破するには、ジェット推進、機体設計、材料における進歩が必要であった。

• 日常的な装置に見られる初期の超音速運動の例には、鞭がある。
• 軍用兵器、一部の火器および砲兵は、1800年代以降に超音速で運用されてきた。
• ジェットエンジンによる推進と設計の改良により、実用的な超音速航空機が可能になった。

設計と推進

超音速で効率的かつ安全に飛行するため、技術者は特有の形状と技術を採用する。具体的には、鋭く薄い翼型または大きく後退した翼、圧力分布を制御するための胴体形状設計（エリアルール）、より大きな加熱に耐える強度の高い材料、ターボジェット、ラムジェット、スクラムジェットなど高速域に適した推進装置である。多くの初期の超音速機および軍用超音速機では、広い速度範囲で十分な推力を得るため、アフターバーナーと可変ジオメトリー式インテークが用いられた。

用途、制約と注目すべき事実

超音速飛行は軍用機や一部の実験機で一般的である。コンコルドなどの航空機により民間超音速輸送は実証されてきたが、商業的な超音速旅行の広範な普及は、経済、環境、規制上の懸念、とりわけ人口密集地域上空でのソニックブームによって制限されてきた。より静かな超音速設計と、極超音速研究を含む超高速推進に関する研究は、民生用と防衛用の双方に向けて継続している。

「超音速」を定める正確な速度は局所的な大気条件に依存するため（音速）、同じ機体でも、ある高度や気温では亜音速であっても、別の条件では超音速となりうる。一般的な数値表記には、メートル毎秒（m/s）、フィート毎秒、マイル毎時（mph）、キロメートル毎時がある。流れの構成部分が超音速値に達し始める範囲は、しばしば遷音速と呼ばれ、慎重な設計上のトレードオフを必要とする。

超音速飛行は、性能と騒音、費用、安全性の考慮を両立させる、空気力学および航空宇宙工学の専門的な分野であり続けている。材料、計算機を用いた設計、推進技術の進歩は、音速を超える速度で実現可能な範囲を引き続き拡大している。