火箭导弹发射工程中更为常见的是超声速燃气射流。不同于亚声速燃气射流，超声速燃气射流出口Ma＞ 1。由于超声速燃气射流总压远高于环境压强，因此燃气流出喷管摆脱喷管约束后会继续膨胀加速，使得燃气流压强低于环境压强。换句话说，燃气射流流出喷管后会受到环境空气的阻挡。由3.5.4 小节可知，超声速射流在周围高压空气的阻挡下会产生激波，斜激波在射流核心区边界发生反射形成膨胀波，膨胀波反射后再次形成斜激波，交替往复，最终形成燃气射流内部复杂的波系结构。例如，图1.2 燃气射流中明暗交替出现的结构就是激波与膨胀波交替反射产生的。根据喷管出口燃气压强 p e与外部环境压强 pa 的相对大小，超声速燃气射流又可分为过膨胀燃气射流（ pe＜ pa ）与欠膨胀燃气射流（ pe＞ pa）。

1. 过膨胀燃气射流

图3.25　典型的过膨胀燃气射流流场参数分布

（a）马赫数；（b）压强；（c）温度

图3.25 为典型的过膨胀燃气射流流场参数分布。其中，燃气射流依然分为核心区与混合边界层，但与亚声速流场不同，核心区内流动参数不再与喷管出口保持一致，而是表现为一种循环变换的交替结构。核心区内流动参数的交替分布结构来源于其中交替出现的激波与膨胀波，如图3.25（b）所示，其中扇形膨胀波简化表示为一个膨胀波面。为了分析燃气射流核心区激波与膨胀波交替出现的原因，我们可以将图3.25 中的燃气射流流动抽象为图3.26 所示的过膨胀燃气射流结构。图3.26 中不同的压强下标代表不同的区域编号。喷管出口燃气在1区膨胀后压强低于环境压强，即 p1＜ pa 。由于接触间断两侧压强相等，因此2 区压强 p2= pa ，也即 p1＜ p2。因此在1 区和2 区之间必然存在斜激波，2 区内燃气流动方向向内偏转。由于越过斜激波后燃气依然保持超声速，因此向内相互挤压的燃气再次形成斜激波。越过斜激波后， p3＞p2=pa ，而 p4= pa ，因此从3 区到4 区，燃气会向外膨胀，一直到5 区。由于膨胀后压强降低，因此 p5＜p4=pa，此后又会继续形成斜激波。如此往复，最终形成了过膨胀燃气射流核心区内部复杂的波系结构。

图3.26　过膨胀燃气射流结构

此外，对于外界环境压强较高的过膨胀燃气射流，喷管喷出的超声速燃气受到的阻挡作用更强，原本斜激波相交的部分区域会变为正激波，称为马赫盘（Mach disc）。例如，图1.2（a）飞机尾部燃气射流中明亮的环状结构就是马赫盘；对于火箭导弹发射工程，当火箭发动机总压较低时，产生的燃气射流同样处于过膨胀状态并产生明显的马赫盘。

2. 欠膨胀燃气射流(www.daowen.com)

图3.27 为欠膨胀燃气射流流场参数分布云图。与过膨胀燃气射流相同，欠膨胀燃气射流核心区内也存在激波与膨胀波交替出现的波系结构。相比于过膨胀燃气射流，欠膨胀燃气射流核心区径向范围明显增大，其核心区最大直径达到了喷管出口直径的数倍，且核心区内波系结构中的每一节长度也更大，但是核心区衰减更快。欠膨胀燃气射流与过膨胀燃气射流最大的区别在于，欠膨胀燃气射流在喷管出口处不再有初始斜激波，而是存在一个较大的初始膨胀区。在初始膨胀区内，燃气射流剧烈膨胀，其温度甚至可能低于环境温度。初始膨胀区外边界是一道拦截激波，燃气流过拦截激波后压强依然较低，因此继续压缩并逐渐达到与环境压强一致。

图3.27　欠膨胀燃气射流流场参数分布云图

（a）马赫数；（b）压强；（c）温度

与过膨胀燃气射流类似，欠膨胀燃气射流核心区的波系结构可以简化为图3.28 所示。燃气经过膨胀区膨胀后压强显著低于环境压强，即图3.28 中有 p1＞ pa＞ p2＞ p3。膨胀后的低压燃气一部分向外流动，受到周围空气阻挡后形成拦截激波。2 区与3 区的燃气流过拦截激波进入4 区后仍保持超声速状态，且其压强仍低于环境压强，即 p4＜ pa，因而在4 区内不断压缩，同时流动方向逐渐朝射流轴线偏转。超声速燃气在5 区相互挤压形成高压区，进而在4 区与5 区之间形成斜激波，燃气流越过斜激波后再次与轴线平行。此外，当欠膨胀程度足够高时，在3 区与5 区之间出现一道正激波，燃气越过正激波后压强直接跃升为 p5 ，且流动变为亚声速流动。此后，5 区的高压燃气再次膨胀，并形成循环往复的波系结构。

图3.28　欠膨胀燃气射流结构

【注释】

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/File:HD-Rayleigh-Taylor.gif.