хиперзвуков поток
ХИПЕРЗВУКОВ ПОТОК, граничният случай на свръхзвуков поток, при който скоростта v на газа в целия участък на потока или в неговата значителна част е голяма в сравнение със скоростта на звука a в газа (v>> a), т.е. числото на Мах M = v/a> > 1. Има други критерии за хиперзвуков поток, например 1/M 2>gt; 1 (l е средният свободен пробег на молекулите в околната атмосфера, L е характерната макроскопична дължина на тялото). Първоначално теорията за хиперзвуковия поток е разработена в рамките на приближението на идеалния (невискозен) газ, приложено към проблема с навлизането на космически кораби в плътните слоеве на атмосферата на Земята и планетите. При много големи числа M на настъпващия поток, когато 1/M 2 2 ∞)] в ударния слой, те престават да зависят от условията в настъпващия поток (ν, ρ, p са скоростта, плътността и налягането на газа зад ударната вълна, v∞ и ρ ∞ са скоростта и плътността на газа в настъпващия поток). Това свойство се нарича стабилизиране на потока около тела при големи числа M.
При хиперзвуков поток около тънки тела на въртене, насочени напред, теорията предполага така наречения закон на равнинните сечения или принципа на еквивалентност: газовите частици изпитват малко надлъжно изместване, но се изместват (изтласкват) само перпендикулярно на посоката на движение на тялото от повърхността на тяло 1 към ударна вълна 2 (фиг.), оставайки в първоначалната равнина a-a, т.е. движението на частиците е плоско, по този начин реализиране на еквивалентността на стационарния триизмерен хиперзвуков поток около тънки заострени тела с нестационарни движещи се двуизмерни потоци.
На практика хиперзвуковите превозни средства имат леко затъпен нос и предни ръбове, за да се намали аеродинамичното нагряване. Затова се обръща специално внимание на проблема с хиперзвуковото обтичане на тъпи тела. Оценките показват, че ефектът от малката тъпота прихиперзвуковата скорост трябва да се вземе предвид, дори когато размерът на тъпата част може да бъде пренебрегнат. Ако се спазва принципът на еквивалентността, когато тялото се движи в плосък слой, тогава в момента, в който предният край на тялото навлезе в този слой, наличието на малка тъпота предизвиква моментално концентрирано подаване на енергия към газа - възниква проблемът с концентрирана експлозия. Тази експлозивна аналогия направи възможно разширяването на закона за подобие, установен по-рано за заострени тънки тела, до тела с малка тъпота.
Налягането върху повърхността на тялото при много високи стойности на числото на Мах в настъпващия поток М∞ →∞ и γ → 1 (γ = cp/cV е съотношението на топлинните мощности на газа при постоянно налягане и постоянен обем) може да се определи по формулата р = р∞v∞ 2 sin 2 α, където α е ъгълът между допирателната към повърхността на тялото и посоката на скоростта на свободния поток. Установено е, че ако тази формула се допълни с коефициент, който дава правилната стойност на налягането при α = π/2, тогава налягането от наветрената страна на тъпите лъкове се определя доста точно. Тази теория е наречена "модифицирана теория на Нютон" и въпреки своя по същество емпиричен произход, тя се оказа много полезна за определяне на налягането, особено върху сложни повърхности.
При хиперзвукови скорости на полет граничният слой се удебелява поради високата температура в него, което води до взаимодействие между вискозния поток в граничния слой и външния, по същество невисциден поток. Налягането, предизвикано от взаимодействието на вискозни и невискозни потоци, е пропорционално на М 3 ∞, от което следва, че вискозитетът трябва да се вземе предвид при изчисляване на характеристиките на хиперзвуков поток.
За решаване на проблемите на хиперзвуковия поток около телата се използват различни модели в зависимост от стойноститеЧислото на Рейнолдс Re (намалява с увеличаване на височината на полета). За големи стойности на числото Re (Re > 10 6 ) се използват асимптотични модели на идеална течност в комбинация с теорията на граничния слой (ламинарен или турбулентен), като се вземат предвид физикохимичните процеси, протичащи в газ при висока температура. С намаляване на числото Re нарастваща част от площта на потока между ударната вълна и тялото започва да се заема от слой със значително влияние на вискозитета, така че е необходимо да се вземе предвид обратният ефект на граничния слой върху външния поток, както и ефектът върху граничния слой на градиента на напречната скорост (завихряне) във външния поток. При Re 5 слоят с влияние на вискозитета заема цялата област между дъговата ударна вълна и повърхността на тялото. За изчисляване на потока в този слой се използва така нареченият модел на вискозен ударен слой. С по-нататъшно намаляване на числото Re (Re 3 ), дебелината на ударната вълна вече не може да бъде пренебрегната в сравнение с дебелината на газовия слой между нея и обтекаемото тяло. В условията на земната атмосфера това съответства на толкова ниски стойности на плътността на газа, че при тях газодинамичният модел на непрекъсната среда трябва да бъде заменен с молекулярно-кинетичен модел.
От 80-те години на миналия век хиперзвуковите потоци се изследват интензивно с помощта на числени методи. Разработването на ефективни числени методи и мощни компютри направи възможно изчисляването на цялото поле на потока около триизмерните превозни средства, като се вземат предвид различни физични и химични процеси в ударния слой. Успешните полети на пилотирани космически кораби, както и завръщането на космически сонди на Земята след изследване на планетите от Слънчевата система, са най-доброто потвърждение за високото ниво на теоретични и експериментални изследвания на хиперзвуковите потоци.
Лит.: Cherny GG Газов поток с висока свръхзвукова скорост. М., 1959; ХейсU.D., Probstin R.F. Теория на хиперзвуковите потоци. М., 1962; Dorrens W. H. Хиперзвукови потоци на вискозен газ. М., 1966; Лунев В. В. Хиперзвукова аеродинамика. М., 1975; Пилюгин Н. Н., Тирски Г. А. Динамика на йонизиран излъчващ газ. М., 1989; Park C. Неравновесна хиперзвукова аеротермодинамика. N.Y., 1990.