衝撃波しょうげきは管かん

衝撃波しょうげきは管かんの模も式しき図ず。それぞれの直線ちょくせん（群ぐん）は、隔膜かくまくが破やぶれた後のちに生しょうじる各種かくしゅの波なみ（群ぐん）を示しめす。

衝撃波しょうげきは管かん（しょうげきはかん、ショックチューブ、英えい: shock tube）は、管内かんないに発生はっせいする衝撃波しょうげきはを利用りようして、主しゅとして気き相しょう中なかの燃焼ねんしょう反応はんのうを研究けんきゅうするための実験じっけん装置そうちである。衝撃波しょうげきは管かんおよびショックトンネルなどの類似るいじ装置そうちは、他たの実験じっけん装置そうちではデータを得えることが困難こんなんであるような、広範こうはんな温度おんど・圧力あつりょく範囲はんいに渡わたる流体りゅうたい力学りきがく研究けんきゅうにも使用しようすることができる。

原理げんり

単純たんじゅんな衝撃波しょうげきは管かんは、ステンレス鋼こうなどの金属きんぞく製せいの管かんであり、内部ないぶには2 - 3気圧きあつ程度ていどの高こう圧あつガスと、50 mmHg程度ていどの低圧ていあつガスとが入いれられ、これらはポリエチレンテレフタラート等とうでできた隔膜かくまく（ダイアフラム diaphragm）によって仕切しきられている。高こう圧あつガスは driver gas（ドライバ・ガス、駆動くどうガス）として知しられる。一方いっぽうの低圧ていあつガスは driven gas（ドリヴン・ガス、被ひ駆動くどうガス）と呼よばれ、これが衝撃波しょうげきはにさらされることになる。これに伴ともなって、管内かんないのそれぞれの部分ぶぶんはそれぞれドライバ・セクション、ドリヴン・セクションと呼よばれる。高こう圧あつ部ぶと低圧ていあつ部ぶのガスは管かんの各かく部分ぶぶんにガスの供給きょうきゅうラインから注入ちゅうにゅうされるか、あるいは大気たいき圧あつよりも低ひくい圧力あつりょくがよければ真空しんくうポンプによって吸引きゅういんされて、望のぞみの圧あつに調節ちょうせつされる。これらのガスの組成そせいは同おなじである必要ひつようは無ない。

隔膜かくまくは高こう圧あつ部ぶと低圧ていあつ部ぶの圧力あつりょく差さに耐たえるだけの強度きょうどが必要ひつようであるが、良よい実験じっけん結果けっかを得えるためにはきれいに破やぶれなければならない。隔膜かくまくを破やぶる方法ほうほうは主おもに以下いかの3つである。

• 電気でんき、油圧ゆあつ、空気圧くうきあつ、またはばねによって撃げき針はり (plunger) を作動さどうさせ、撃げき針はりの先さきで隔膜かくまくを破やぶる方法ほうほう。ただし、この方法ほうほうは少々しょうしょう複雑ふくざつな仕組しくみとなる。
• 規定きていの圧力あつりょく差さに達たっしたら破裂はれつするように調整ちょうせいされた、深ふかさを調節ちょうせつした十字形じゅうじがたのミシン目めの入はいったアルミニウムディスク等とうを隔膜かくまくに使つかう方法ほうほう。
• 高こう圧あつガスとして引火いんか性せい混合こんごう気きを用もちい、規定きていの圧力あつりょくに達たっしたら点火てんかして、爆発ばくはつによる急激きゅうげきな圧力あつりょく上昇じょうしょうによって隔膜かくまくを破やぶる方法ほうほう。このように設計せっけいされた衝撃波しょうげきは管かんは combustion driver と呼よばれる。

隔膜かくまくが瞬間しゅんかん的てきに破やぶられると衝撃波しょうげきは（圧縮あっしゅく波は、compression wave）が発生はっせいし、高こう圧あつ部ぶから低圧ていあつ部ぶに向むかって移動いどうし、入射にゅうしゃ衝撃波しょうげきはとして知しられる、急きゅう勾配こうばいの衝撃波しょうげきは面めんを形成けいせいする。この衝撃波しょうげきはは低圧ていあつガスの温度おんどと圧力あつりょくを急激きゅうげきに上昇じょうしょうさせ、衝撃波しょうげきはと同おなじ方向ほうこうに向むかうガスの流ながれを作つくり出だす（ただしこの流速りゅうそくは衝撃波しょうげきはの移動いどう速度そくどよりも遅おそい）。 同時どうじに、膨張ぼうちょう波は（rarefaction wave, 希薄きはく波なみあるいは expansion fan 膨張ぼうちょう扇おうぎとも）が高こう圧あつガス側がわへと進行しんこうしていく。実験じっけんの対象たいしょうである低圧ていあつ側がわのガスと、高こう圧あつガスとを隔へだてる円形えんけいの断面だんめんは接触せっしょく面めんと呼よばれ、衝撃波しょうげきは面めんの背後はいごを追おうように急速きゅうそくに移動いどうする。

入射にゅうしゃ衝撃波しょうげきはがいったん衝撃波しょうげきは管かんの端はし（図ずでは右みぎ端はし）まで到達とうたつすると、既すでにある程度ていど加熱かねつされた（元もと低圧ていあつ）ガスに向むかって反射はんしゃし、いっそうの温度おんど・圧力あつりょく・密度みつどの上昇じょうしょうをもたらす。このように効果こうか的てきに高温こうおんかつ高こう圧あつの反応はんのう帯たいを作つくり出だすことができる。この反応はんのうは反射はんしゃ衝撃波しょうげきはを吸収きゅうしゅうする「ダンプタンク (dump tank)」を用もちいれば急激きゅうげきに冷却れいきゃくすることができる。こうしてできた気体きたいのサンプルは採取さいしゅされ、分析ぶんせきされる。

応用おうよう

衝撃波しょうげきは管かんは、このような高温こうおん・高こう圧あつ下かでの気体きたいサンプルの研究けんきゅう以外いがいにも、数々かずかずの燃焼ねんしょう工学こうがくや流体りゅうたい力学りきがくの研究けんきゅうに利用りようされている。たとえば、隔膜かくまくを破やぶるよりも前まえに、固体こたい微粒子びりゅうしを衝撃波しょうげきは管かんの低圧ていあつガス側がわ（ドリヴン・セクション）に注入ちゅうにゅうすることがしばしば行おこなわれる。衝撃波しょうげきはによる急激きゅうげきな温度おんど・圧力あつりょく上昇じょうしょうの結果けっか、微粒子びりゅうしは燃焼ねんしょう反応はんのうを起おこすが、圧力あつりょくトランスデューサや分光ぶんこう器きにより集あつめたデータを用もちいてこの反応はんのうを解析かいせきすることができる。

流体りゅうたい力学りきがくの実験じっけんについて言いえば、衝撃波しょうげきは後方こうほうに誘さそえ起おこされるドリヴン・ガスの流ながれをあたかも風洞ふうどうのように使つかうことが行おこなわれている。衝撃波しょうげきは管かんによって、通常つうじょうの風洞ふうどうでは達成たっせいできないような高温こうおん・高こう圧あつ流ながれの研究けんきゅうが可能かのうとなっている。たとえば、ガスタービンエンジンのタービン・セクションの諸しょ条件じょうけんの模擬もぎが可能かのうである。ただし、実験じっけんの継続けいぞく時間じかんは限定げんていされる。すなわち、対象たいしょう物ぶつを衝撃波しょうげきはが通過つうかしてから、接触せっしょく面めんか端はし面めんからの反射はんしゃ波はかのいずれかが到達とうたつするまでの数すうミリ秒間びょうかんである。

流体りゅうたい力学りきがく実験じっけんに利用りようすべくさらに進化しんかした装置そうちはショックトンネル (shock tunnel) と呼よばれ、管かんの端はしとその先さきのダンプ・タンクとの間あいだにノズルが設もうけられている。衝撃波しょうげきはが管かんの端はしから反射はんしゃする際さい、高温こうおん・高こう圧あつの領域りょういきが形成けいせいされるが、ダンプ・タンクはほとんど真空しんくうに近ちかい低圧ていあつになっているため、この間あいだにおかれたノズルの両りょう端はしには非常ひじょうに大おおきな圧力あつりょく勾配こうばいが生しょうじることとなり、ノズル直後ちょくごに設もうけたテスト・セクションには非常ひじょうに高温こうおんの極きょく超ちょう音速おんそく流ながれが形成けいせいされる。これを用もちいて、宇宙うちゅう機きや極ごく超ちょう音速おんそく輸送ゆそう機きの大気圏たいきけん再さい突入とつにゅうのような条件じょうけんを再現さいげんすることが可能かのうとなる。ただし、テスト時間じかんはやはりミリ秒びょうのオーダーに制限せいげんされてしまう。

参考さんこう文献ぶんけん

• Liepmann, Hans W.; Roshko, A. (2001) [1957]. Elements of Gasdynamics. Dover Publications. pp. pp. 79 - 83. ISBN 0-486-41963-0 
• Anderson, John D. Jr. (August 2000) [1989]. Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics. AIAA. pp. pp. 368 - 369. ISBN 1-56347-459-X 

関連かんれん項目こうもく

• 衝撃波しょうげきは
• 燃焼ねんしょう
• 反応はんのう機構きこう
• トンネル微ほろ気圧きあつ波は

外部がいぶリンク

• RPI Shock Tube page
• Shock Tube Calculator
• Shock tube x-t Diagram
• 愛媛大学えひめだいがく理学部りがくぶ樋とい高だか研究けんきゅう室しつ かつて衝撃波しょうげきは管かんの写真しゃしんが掲載けいさいされていた。