Которое определяется следующим образом: , где u - скорость движения потока или тела, - скорость звука в среде. Звуковая скорость определяется как , где - показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает степенями свободы он равен ). Здесь - полное число степеней свободы молекулы. При этом, количество поступательных степеней свободы . Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы , количество колебательных степеней свободы (если есть) . Для всех других молекул , .
При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).
Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение , волна, создаваемая судами на поверхности воды.
Классификация скоростей в атмосфере
При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 /сек . Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М , где верхний предел соответствует первой космической скорости . Скорости выше считаются не гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата » космических аппаратов на Землю .
Сравнение режимов
| Режим | Числа Маха | км / | /сек | Общие характеристики аппарата |
|---|---|---|---|---|
| Дозвук | <1.0 | <1230 | <340 | Наиболее часто самолет с пропеллером или с ТВД , прямые или скошенные крылья. |
| Трансзвук (англ.) русск. | 0.8-1.2 | 980-1470 | 270-400 | Воздухозаборники и слегка стреловидные крылья, сжимаемость воздуха становится заметной. |
| Сверхзвук | 1.0-5.0 | 1230-6150 | 340-1710 | Более острые края плоскостей, хвостовое оперение цельноповоротное . |
| Гиперзвук | 5.0-10.0 | 6150-12300 | 1710-3415 | Охлаждаемый никелево-титановый корпус, небольшие крылья. (X-43) |
| Быстрый гиперзвук | 10.0-25.0 | 12300-30740 | 3415-8465 | Кремниевые плитки для теплозащиты, несущее тело аппарата вместо крыльев. |
| «Скорость возврата» | >25.0 | >30740 | >8465 | Аблятивный тепловой экран , нет крыльев, форма капсулы. |
Сверхзвуковые Объекты
Космические корабли и их носители, а также большинство современных истребителей разгоняются до сверхзвуковых скоростей. Также было разработано несколько пассажирских сверхзвуковых самолетов - Ту-144 , Конкорд , Аерион. Скорость вылета пули большинства образцов современного огнестрельного оружия больше М1.
См. также
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Электрическое напряжение
- Число Маха
Смотреть что такое "Сверхзвуковая скорость" в других словарях:
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - скорость движения среды или тела в среде, превышающая скорость звука в данной среде. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ, скорость, превышающая локальную скорость звука. В сухом воздухе при температуре 0 °С эта скорость составляет 330 м/с или 1188 км/ч. Ее величина обычно выражается числом МАХА, которое представляет собой отношение скорости… … Научно-технический энциклопедический словарь
Сверхзвуковая скорость - 1) скорость V газа, превышающая местную скорость звука a: V > a (M > 1, M Маха число). 2) С. с. полёта скорость летательного аппарата, превышающая скорость звука в невозмущенном потоке (часто за полёт со С. с. понимают полёт со скоростью,… … Энциклопедия техники
Сверхзвуковая скорость - скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях. Характеризуется значениями Маха числа (М); имеет значения М от 1 до 5. Скорость, превышающая скорость звука более чем в 5 раз… … Морской словарь
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях (скорость звука в воздухе при 0°С равна 331 м/с). Характеризуется числом Маха М (), имеющим значения от 1 до 5. Скорость, превышающая М… … Большая политехническая энциклопедия
сверхзвуковая скорость - Скорость газа, превышающая местную скорость звука, . [ГОСТ 23281 78] Тематики аэродинамика летательных аппаратов Обобщающие термины характеристики течения газа EN supersonic velocity … Справочник технического переводчика
сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Skraidymo aparato greitis, viršijantis garso greitį terpėje arba aplinkoje, kurioje jis juda. atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok. Überschallgeschwindigkeit, f; Ultraschallgeschwindigkeit, f rus. сверхзвуковая скорость, f pranc. vitesse hypersonique, f … Fizikos terminų žodynas
сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Greitis, viršijantis garso greitį. atitikmenys: angl. supersonic speed; velocity rus. сверхзвуковая скорость … Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas
10-07-2015, 11:34
Что стоит за слухами о создании в России нового сверхмощного оружия
Военно-аналитический центр Janes Information Group (США) опубликовал доклад об успешном испытании Россией нового гиперзвукового летательного аппарата Ю-71 (Yu-71 в англоязычной транскрипции).
Испытания, по версии американцев, были проведены еще в феврале 2015 года. Пуск якобы состоялся с полигона Домбаровский под Оренбургом. Их военные аналитики сообщают совершенно секретные и леденящие кровь простого обывателя сведения.
Сообщается, что Ю-71 - часть российского секретного проекта 4202. За океаном определили, что скорость нашей гиперзвуковой ракеты - 11 200 км/час. Маневрирующий с такой скоростью объект невозможно сбить - система ПРО бессильна против таких скоростей. К тому же Ю-71 может нести ядерный заряд.
По мнению американских аналитиков, скоро Россия получит возможность наносить высокоточные удары по выбранным целям. При этом даже самые защищенные из них будут гарантированно поражаться одной ракетой. В США предполагают, что уже через 5 лет развертывание группировки российских гиперзвуковых ракет начнется под тем же Оренбургом, в дислоцированном там Домбаровском полку РВСН, а всего с 2020 по 2025 год в строй введут 24 боевых аппарата, созданных на базе Ю-71. Также из документа следует, что к этому времени Россия создаст новую тяжелую межконтинентальную баллистическую ракету "Сармат", способную нести Ю-71.
Утверждается, что Москве гиперзвуковое оружие необходимо, чтобы получить рычаги воздействия в ходе переговоров с Вашингтоном и ограничить эффективность американской системы ПРО.
До обнародования этой сенсации сообщалось, что военные КНР тоже провели (причем очередное) успешное испытание ударного гиперзвукового летательного аппарата WU-14, способного прорывать систему ПРО США и наносить ядерный удар.
В общем, обложили американцев со всех сторон: с Запада - Китай, с Востока и Севера - Россия. И жаждут они одного - порвать американскую и европейскую ПРО, как Тузик грелку, чтобы стереть с лица земли все стратегические объекты Пентагона. Логика этого ужаса незамысловата: Вашингтон, дай новые миллиарды на разработку собственных гиперзвуковых ракет, а то ведь останемся неприкрытыми, как библейский Адам.
В США работы над гиперзвуковыми ракетами ведутся с не меньшей, а то и большей интенсивностью, чем в России и Китае, вместе взятых. И с очень хорошим финансовым обеспечением.
По всей видимости, каких-то прорывных успехов достичь не удалось, а выделенные из бюджета миллиарды уже потрачены. Как быть? Надо запустить страшилку и обеспечить себе безграничное финансирование. Что и было сделано.
Сама по себе идея создания ракет, способных летать в 5-7, а то и в десятки раз быстрее скорости звука, всегда привлекала военных. Такие аппараты обладают столь мощной кинетической энергией, что способны причинить любому объекту противника самый серьезный урон и без боевой части. А уж с ядерной боеголовкой...
В принципе разогнать боеголовку, выведенную на околоземную орбиту, до гиперзвука и направить ее вниз не очень сложно. Проблема в точном наведении, так как управлять объектом, мчащимся со скоростью свыше 10 000 км/час, пока невозможно. В том числе и потому, что при резком изменении прямолинейной траектории полета боевая часть может просто разрушиться из-за огромных перегрузок.
А построить работоспособный аппарат, способный летать с гиперзвуковой скоростью, да еще и маневрировать в атмосфере, неимоверно сложно.
Дело не только в перегрузках, но и в особенностях горения топлива, огромном воздушном трении о поверхность летящего аппарата, скачках давления на различных поверхностях гиперзвуковой крылатой ракеты.
Тем не менее работы в этом направлении ведутся на протяжении уже нескольких десятков лет.
Ближе всех к практическому созданию крылатой гиперзвуковой ракеты подошли в СССР. Гиперзвуковой экспериментальный летательный аппарат (ГЭЛА), или Х-90, был создан в МКБ "Радуга" в конце 1980-х. После развала СССР проект в 1992 году закрыли. Позже аппарат ГЭЛА несколько раз показали на авиакосмических салонах МАКС в Жуковском.
По конструкции это была крылатая ракета с раскладным треугольным крылом и фюзеляжем, почти полностью отданным под прямоточный двигатель. При стартовой массе 15 тонн ракета Х-90, как утверждали ее разработчики, могла разгоняться до скорости не менее М=4,5 - это минимальное значение гиперзвука. По достоверным, но так официально и не подтвержденным данным, ракету Х-90 в конце 1980-х удачно пустили с самолета-носителя, и она достигла расчетной скорости. Тем не менее в дальнейшем этот проект финансировать не стали и саму тему гиперзвука закрыли более чем на 10 лет.
За океаном создание гиперзвуковых летательных аппаратов шло параллельно с работами в Советском Союзе. Правда, без особых успехов. Прорывным стал проект Boeing X-43. Внешне американский летательный аппарат чем-то напоминал закрытый советский Х-90. В 2001 году этот гиперзвуковой беспилотник совершил свой первый полет, впрочем, неудачный. Второй полет, как считается, прошел штатно. Сверхскорости не достигли, но отработали систему управления. А вот уже на третьем пуске, в ноябре 2004-го, беспилотник Х-43 установил рекорд, разогнавшись до скорости 11 200 км/ч. Это выше, чем достигал наш Х-90.
Развитием экспериментального проекта X-43 в США стала ракета X-51. Она еще больше походит на наш так и не реализованный проект ГЭЛА. Утверждается, что именно Х-51 может стать одним из основных вооружений американской стратегической авиации. По официальным данным, ракета X-51 должна иметь скорость полета порядка М=6-7, что близко к давним показателям нашей Х-90.
Такие скорости, как считают эксперты, достаточны для возможного использования ракет в системе быстрого глобального удара. В 2010 году состоялся первый пуск и полет X-51.
Гиперзвуковым называют летательный аппарат, способный осуществлять полёт с гиперзвуковой скоростью.
Что такое гиперзвуковая скорость
В аэродинамике часто пользуются величиной, которая показывает отношение скорости движения потока или тела к скорости звука. Это отношение называют числом Маха, по имени австрийского учёного Эрнста Маха, который заложил основы аэродинамики сверхзвуковых скоростей.
где М – число Маха;
u – скорость воздушного потока или тела,
c s – скорость распространения звука.
В атмосфере при обычных условиях скорость звука равна приблизительно 331 м/с. Скорость тела в 1 Мах соответствует скорости звука. Сверхзвуковой называют скорость в диапазоне от 1 до 5 М. Если же она превышает 5 М, то это уже гиперзвуковой диапазон. Это разделение условное, так как чёткой границы между сверхзвуковой и гиперзвуковой скоростью не существует. Так договорились считать в 70-е годы ХХ столетия.
Из истории авиации
"Зильбертфогель"
Впервые создать гиперзвуковой самолёт пытались ещё во время Второй мировой войны в нацистской Германии. Автором этого проекта, который назывался «Зильбертфогель » (серебряная птица) был австрийский учёный Ойген Зенгер. Самолёт имел и другие названия: «Amerika Bomber », «Orbital-Bomber », «Antipodal-Bomber », «Atmosphere Skipper », «Ural-Bomber ». Это был бомбардировщик-ракетоплан, который мог нести до 30 тонн бомб. Он предназначался для бомбардировки США и промышленных районов России. К счастью, в те времена на практике такой самолёт построить было невозможно, и он остался только в чертежах.
North American X-15
В 60-е годы ХХ века в США был создан первый в истории самолёт-ракетоплан Х-15, основной задачей которого было изучение условий полёта на гиперзвуковых скоростях. Этот аппарат смог преодолеть высоту 80 км. Рекордом считался полёт Джо Уокера, выполненный в 1963 г., когда была достигнута высота 107,96 км и скорость 5,58 М.
Х-15 был подвешен под крылом стратегического бомбардировщика «Б-52». На высоте 15 км он отделился от самолёта-носителя. В этот момент включился его собственный жидкостный ракетный двигатель. Он проработал 85 секунд и отключился. К этому времени скорость самолёта достигла 39 м/с. В самой высокой точке траектории (апогее) аппарат был уже за пределами атмосферы и находился в невесомости почти 4 минуты. Пилот провёл запланированные исследования, с помощью газовых рулей направил самолёт в атмосферу и вскоре приземлился. Рекорд высоты, достигнутый Х-15, продержался почти 40 лет, до 2004 г.
X-20 Dyna Soar
С 1957 по 1963 г.г. по заказу военно-воздушных сил США компанией Boeing проводились разработки пилотируемого космического перехватчика-разведчика-бомбардировщика Х-20. Программа называлась X-20 Dyna-Soar . На орбиту на высоту 160 км Х-20 должна была выводить ракета-носитель. Скорость самолёта планировалась немного ниже первой космической, чтобы он не стал спутником Земли. С высоты самолёт должен был «нырять» в атмосферу, снижаясь до 60-70 км, и проводить либо фотографирование, либо бомбометание. Затем снова поднимался, но уже на высоту, меньшую первоначальной, и снова «нырял» ещё ниже. И так до тех пор, пока не приземлялся на аэродроме.
На практике было изготовлено несколько макетов Х-20, подготовлены пилоты-астронавты. Но по ряду причин программу свернули.
Проект «Спираль»
В ответ на программу X-20 Dyna-Soar в 1960-е г.г. в СССР был начат проект «Спираль». Это была принципиально новая система. Предполагалось, что мощный самолёт-разгонщик с воздушно-реактивными двигателями, весом в 52 т и длиной 28 м, разгоняется до скорости 6 М. С его «спины» на высоте 28-30 км стартует пилотируемый орбитальный самолёт весом 10 т и длиной 8 м. Оба самолёта, взлетающие с аэродрома вместе, могли каждый в отдельности осуществлять самостоятельную посадку. Кроме того, самолёт-разгонщик с его гиперзвуковой скоростью планировали использовать ещё и как пассажирский авиалайнер.
Так как для создания такого гиперзвукового самолёта-разгонщика требовались новые технологии, то в проекте предусматривалась возможность использовать не гиперзвуковой, а сверхзвуковой самолёт.
Вся система разрабатывалась в 1966 г. в конструкторском бюро ОКБ-155 А.И. Микояна. Два варианта модели прошли полный цикл аэродинамических исследований в центральном аэродинамическом институте им. профессора Н.Е. Жуковского в 1965 – 1975 г.г. Но создать самолёт всё-таки не получилось. И эта программа, как и американская, была свёрнута.
Гиперзвуковая авиация
К началу 70-х гг. ХХ века полёты на сверхзвуковых скоростях стали обыденным явлением для военных самолётов. Появились и сверхзвуковые пассажирские самолёты. Воздушно-космические самолёты могли проходить плотные слои атмосферы с гиперзвуковыми скоростями.
В СССР работы над гиперзвуковым самолётом начались в ОКБ Туполева в середине 70-х годов. Проводилось исследование и проектирование самолёта, способного развивать скорость до 6 М (ТУ-260) с дальностью полёта до 12 000 км, а также гиперзвукового межконтинентального самолёта ТУ-360. Его дальность полёта должны была достигать 16 000 км. Был даже подготовлен проект пассажирского гиперзвукового самолёта, рассчитанного на полёт на высоте 28-32 км со скоростью 4,5 – 5 М.
Но чтобы самолёты могли летать на сверхзвуковых скоростях, их двигатели должны иметь черты и авиационной, и космической техники. Существующие воздушно-реактивные двигатели (ВРД), использовавшие атмосферный воздух, имели ограничения по температуре и могли использоваться на самолётах, скорости которых не превышали 3 М. А ракетные двигатели должны были нести большой запас топлива на борту и не годились для продолжительных полётов в атмосфере.
Оказалось, что наиболее рациональным для гиперзвукового самолёта является прямоточный воздушно- реактивный двигатель (ПВРД), в котором нет вращающихся частей, в комбинации с турбореактивным двигателем (ТРД) для разгона. Предполагалось, что для полётов с гиперзвуковыми скоростями наиболее подходит ПВРД на жидком водороде. А разгонный двигатель - это ТРД на керосине или жидком водороде.
Впервые прямоточным воздушно - реактивным двигателем был оснащён беспилотный аппарат Х-43А, который, в свою очередь, был установлен на крылатой ракете-носителе «Pegasus».
29 марта 2004 г. в Калифорнии поднялся в воздух бомбардировщик Б-52. Когда он достиг высоты 12 км, с него стартовал Х-43А. На высоте 29 км он отделился от ракеты-носителя. В этот момент запустился его собственный ПВРД. Он проработал всего 10 секунд, но смог развить гиперзвуковую скорость в 7 М.
В данный момент Х-43А является самым быстрым самолётом в мире. Он способен развивать скорость до 11230 км/час и может подниматься на высоту до 50 км. Но это всё-таки беспилотный летательный аппарат. Но недалёк тот час, когда появятся гиперзвуковые самолёты, на которых смогут летать и обычные пассажиры.
В январе произошло знаковое событие: клуб обладателей технологий гиперзвукового пополнился новым членом. Китай 9 января 2015 г. испытал гиперзвуковой глайдер (планер) под названием WU-14. Это управляемый аппарат, который устанавливается на верхушке межконтинентальной баллистической ракеты (МБР). Ракета поднимает глайдер в космос, после чего глайдер пикирует на цель, развивая скорость в тысячи километров час.
По данным Пентагона, китайский гиперзвуковой аппарат WU-14 может устанавливаться на различные китайские баллистические ракеты с дальностью стрельбы от 2 тыс. до 12 тыс. км. В ходе январских тестов WU-14 развил скорость в 10 М - это более 12,3 тыс. км/ч. Современные средства противовоздушной обороны не в состоянии надежно поразить маневрирующую цель, летящую на такой скорости. Таким образом, Китай стал третьей страной, после США и России, обладающей технологией гиперзвуковых носителей ядерного и обычного оружия.
Гиперзвуковой глайдер HTV-2 отделяется от разгонного блока (США)
США и Китай работают над схожими проектами гиперзвуковых глайдеров, которые получают первоначальное ускорение за счет подъема на большую высоту с помощью ракеты-носителя, а затем разгоняются во время управляемого спуска с больших высот. Преимущества подобной системы - большая дальность (вплоть до глобального удара по любой точке поверхности Земли), сравнительно простое устройство глайдера (нет маршевого двигателя), большая масса боевой части и высокая скорость полета (более 10 М).
Россия сосредоточена на разработке ракет с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ГПВРД), которые могут запускаться с земли, кораблей или боевых самолетов. Существует российско-индийский проект по разработке подобных систем оружия, так что к 2023 г. Индия также может войти в "гиперзвуковой клуб". Преимущество гиперзвуковых ракет в меньшей стоимости и большей гибкости применения в отличие от глайдеров, запускаемых с помощью МБР.
Экспериментальная гиперзвуковая ракета с ГПВРД X-51A WaveRider (США)
Оба типа гиперзвукового оружия могут нести обычную или ядерную боевую часть (БЧ). Специалисты Австралийского института стратегической политики рассчитали, что кинетическая энергия удара гиперзвуковой боеголовки (без фугасной или ядерной БЧ) с массой 500 кг и скоростью 6 М по причиняемым разрушениям сравнима с подрывом боеголовки обычной дозвуковой ракеты AGM-84 Harpoon, оснащенной БЧ со взрывчаткой массой около 100 кг. Это всего четверть огневой мощи российской противокорабельной ракеты П-270 Москит со взрывчаткой массой 150 кг и скоростью 4 М.
Казалось бы, гиперзвуковое оружие не намного превосходит существующее сверхзвуковое,однако все не так просто. Дело в том, что боеголовки баллистических ракет легко обнаруживаются на большом расстоянии и падают по предсказуемой траектории. И хотя их скорость огромна, современные компьютерные технологии сделали возможным перехват боеголовок на этапе спуска, что с переменным успехом демонстрирует американская система противоракетной обороны.
В то же время гиперзвуковые летательные аппараты заходят на цель по относительно пологой траектории, находятся в воздухе короткое время и могут маневрировать. В большинстве сценариев современные системы ПВО не в состоянии за короткий промежуток времени обнаружить и поразить гиперзвуковую цель.
Гиперзвуковая ракета со скоростью 6 М пролетит расстояние от Лондона до Нью-Йорка всего за 1 час
Современные зенитные ракеты попросту не смогут догнать гиперзвуковую цель, например, ракета зенитного ракетного комплекса С-300 может разгоняться до скорости в 7,5 М, да и то лишь на короткий промежуток времени. Таким образом, цель со скоростью около 10 М для нее в подавляющем большинстве случаев будет "не по зубам". Кроме того, поражающая способность гиперзвукового оружия может быть увеличена благодаря использованию кассетной боевой части: высокоскоростная шрапнель из вольфрамовых"гвоздей" способна вывести из строя промышленный объект, крупный корабль или уничтожить скопление живой силы и бронетехники на большой площади.
Распространение гиперзвукового оружия, способного проходить сквозь любые системы ПВО, ставит новые вопросы обеспечения глобальной безопасности и военного паритета. Если в этой области не будет достигнуто равновесное сдерживание, как в случае с ядерным оружием, гиперзвуковые удары могут превратиться в распространенный инструмент давления, ведь всего несколько гиперзвуковых боеголовок могут разрушить экономику небольшой страны.
По расчетам Пентагона, американская программа быстрого глобального удара с помощью гиперзвукового оружия позволит без радиационного заражения местности в течение часа поразить любую цель в любой точке мира. Даже в случае ядерного конфликта система может частично заменить ядерное оружие,поражая до 30% целей.
Таким образом, члены"гиперзвукового клуба" получат возможность почти гарантированно уничтожать объекты критической инфраструктуры противника, например,электростанции, пункты управления армией, военные базы, крупные города и промышленные объекты. По расчетам экспертов, до появления первых серийных образцов гиперзвукового оружия осталось 10-15 лет, так что пока есть время для разработки политических соглашений, ограничивающих применение подобного оружия в локальных конфликтах. Если такие соглашения не будут достигнуты, существует высокий риск еще более масштабных гуманитарных катастроф, связанных с применением нового оружия.
Общие сведения
Полет на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полета и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью).
Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М. Также данная скорость характеризуется тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель («ПВРД ») с дозвуковым сгоранием топлива («СПВРД ») становится бесполезным из-за чрезвычайно высокого трения, которое возникает при торможении проходящего воздуха в двигателе этого типа. Таким образом, в гиперзвуковом диапазоне скоростей для продолжения полета возможно использование только ракетного двигателя или гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) со сверхзвуковым сгоранием топлива.
Характеристики потока
В то время как определение гиперзвукового потока (ГП) достаточно спорно по причине отсутствия четкой границы между сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками, ГП может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже не могут быть проигнорированы при рассмотрении, а именно:
Тонкий слой ударной волны
По мере увеличения скорости и соответствующих чисел Маха, плотность позади ударной волны (УВ) также увеличивается, что соответствует уменьшению объема сзади от УВ благодаря сохранению массы. Поэтому, слой ударной волны, то есть объем между аппаратом и УВ становится тонким при высоких числах Маха, создавая тонкий пограничный слой (ПС) вокруг аппарата.
Образование вязких ударных слоев
Часть большой кинетической энергии, заключенной в воздушном потоке, при М > 3 (вязкое течение) преобразуется во внутреннюю энергию за счет вязкого взаимодействия. Увеличение внутренней энергии реализуется в росте температуры . Так как градиент давления, направленный по нормали к потоку в пределах пограничного слоя, приблизительно равен нулю, существенное увеличение температуры при больших числах Маха приводит к уменьшению плотности. Таким образом, ПС на поверхности аппарата растет и при больших числах Маха сливается с тонким слоем ударной волны вблизи носовой части, образуя вязкий ударный слой.
Появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам
Высокотемпературный поток
Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата (точке или области торможения) вызывает нагревание газа до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата. В этих условиях могут быть существенны процессы конвекции и радиационного теплообмена .
Параметры подобия
Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия , которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.
Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.
Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением , температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость , то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена , не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж /кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).
Идеальный газ
В данном случае, проходящий воздушный поток может рассматриваться как поток идеального газа. ГП в данном режиме все еще зависит от чисел Маха и моделирование руководствуется температурными инвариантами , а не адиабатической стенкой , что имеет место при ме́ньших скоростях. Нижняя граница этой области соответствует скоростям около 5 М, где СПВРД с дозвуковым сгоранием становятся неэффективными, и верхняя граница соответствует скоростям в районе 10-12 М.
Идеальный газ с двумя температурами
Является частью случая режима потока идеального газа с большими значениями скорости, в котором проходящий воздушный поток может рассматриваться химически идеальным, но вибрационная температура и вращательная температура газа должны рассматриваться отдельно, что приводит к двум отдельным температурным моделям. Это имеет особое значение при проектировании сверхзвуковых сопел , где вибрационное охлаждение из-за возбуждения молекул становится важным.
Диссоциированный газ
Режим доминирования лучевого переноса
На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости. Моделирование газа в данном случае подразделяется на два случая:
- оптически тонкий - в данном случае предполагается, что газ не перепоглощает излучение, которое приходит от других его частей или выбранных единиц объема;
- оптически толстый - где учитывается поглощение излучения плазмой, которое потом переизлучается в том числе и на тело аппарата.
Моделирование оптически толстых газов является сложной задачей, так как из-за вычисления радиационного переноса в каждой точке потока объем вычислений растет экспоненциально вместе с ростом количества рассматриваемых точек.
См. также
Примечания
Ссылки
- Anderson John Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition. - AIAA Education Series, 2006. - ISBN 1563477807
- NASA’s Guide to Hypersonics (англ.) .
