Гиперзвуковая скорость

Содержание

Имперские легионы

Классификация режимов Маха [ править ]

Хотя «дозвуковой» и «сверхзвуковой» обычно обозначают скорости ниже и выше локальной скорости звука соответственно, аэродинамики часто используют эти термины для обозначения определенных диапазонов значений Маха. Это происходит потому, что около M = 1 существует околозвуковой режим», в котором приближения уравнений Навье – Стокса, используемые для дозвукового расчета, больше не применяются, отчасти потому, что поток локально превышает M = 1, даже когда набегающий поток требуется пояснение число Маха ниже это значение.

«Сверхзвуковой режим» обычно относится к набору чисел Маха, для которого можно использовать линеаризованную теорию; например, там, где ( воздушный ) поток не вступает в химическую реакцию и где теплопередача между воздухом и транспортным средством может разумно не учитываться в расчетах. Обычно НАСА определяет «высокий» гиперзвуковой как любое число Маха от 10 до 25, а скорость входа в атмосферу — как любое число, превышающее 25 Маха. Среди самолетов, работающих в этом режиме, есть Space Shuttle и (теоретически) различные развивающиеся космические самолеты .

В следующей таблице приведены ссылки на «режимы» или «диапазоны значений Маха» вместо обычных значений «дозвуковой» и «сверхзвуковой».

Объявления о продаже ГАЗ 69

От «занедорого» до «зрелищно»

Вспомним про синий цвет. С эпохи Наполеона все знают, что это традиционный цвет французской армии. Но так было не всегда. Первоначально синий цвет полагался лишь гвардии, а армия ходила в экономичной белой форме. После того, как гвардия поддержала революцию, синий стал необычайно популярен, превратившись в символ борьбы со старым режимом. Изначально синий цвет требовал редкого красителя индиго и был очень дорог, но в 1799 году французский химик Луи Жак Тенар по заказу Севрской фарфоровой мануфактуры синтезировал дешевый кобальтовый пигмент, заменив привозимый с Востока индиго. Это и позволило одеть французскую армию в модный цветзанедорого».

Похожая история и у англичан. Их красные мундиры приняли по двум причинам: во-первых, Кромвель счел, что на красном сукне менее заметна кровь(меньше давления на психику), а во-вторых, тогдашний краситель,венецианский красный», оказался самым дешевым из всех. И скорее всего, финансовые вопросы преобладали над военной психологией, так что, если бы дешевым оказался желтый краситель — английская армия сейчас гордилась бы традиционными желтыми мундирами.

С развитием военной символики параллельно шло развитие абсолютизма и установление сильной централизованной власти. В результате военный мундир наполнялся идеологическим содержанием. Красочная картина марширующих войск, облаченных в нарядную форму, изобилующую помпезными аксессуарами, была захватывающим зрелищем, а его масштаб считался мерилом могущества государя. Но уже в конце XVIII века появились первые размышления о том, что военная форма — это не столько эстетика могущества государства, сколько рабочая одежда. Впрочем, об этом мы расскажем в следующий раз. А пока можете посмотреть на самую странную — хотя, чего уж там, самую идиотскую военную форму разных стран.

Список режимов

Гиперзвуковой поток подразделяется на множество частных случаев. Отнесение ГП к одному или другому режиму потока представляется сложной задачей по причине «размытия» границ состояний, при которых это явление в газе обнаруживается или становится заметным с точки зрения используемого математического моделирования.

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 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

В данном случае молекулы газа начинают диссоциировать по мере того, как они вступают в контакт с генерируемой движущимся телом ударной волной. Поток начинает различаться для каждого конкретного рассматриваемого газа со своими химическими свойствами. Способность материала корпуса аппарата служить катализатором в этих реакциях играет роль в расчете нагрева поверхности, что означает появление зависимости гиперзвукового потока от химических свойств движущегося тела. Нижняя граница режима определяется первым компонентом газа, который начинает диссоциировать при данной температуре торможения потока, что соответствует азоту при 2000 К. Верхняя граница этого режима определяется началом процессов ионизации атомов газа в ГП.

Ионизированный газ

В данном случае, количество потерянных атомами электронов становится существенным и электроны должны моделироваться отдельно. Часто температура электронного газа рассматривается изолировано от других газовых компонентов. Этот режим соответствует диапазону скоростей ГП 10—12 км/с (> 25 М) и состояние газа в данном случае описывается с помощью моделей безизлучательной или неизлучающей плазмы.

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.

Характеристики двигателя ЗМЗ-511/513 ГАЗ-53, 3307, ГАЗ-66

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).

Для инженерных приложений У. Д. Хэйес развил параметр подобия, близкий к правилу площадей Виткомба, который позволяет инженерам применять результаты одной серии испытаний или расчетов, выполненных для одной модели, к разработке целого семейства подобных конфигураций моделей, при этом не проводя дополнительных испытаний или подробных расчетов.

История проекта

Российский учебно-боевой самолет нового поколения ЯК-130

Кто первый начал?

Ответ на этот бытовой вопрос однозначен – инициировали кризис США. Там восприняли «в штыки» приход к власти на Кубе Фиделя Кастро и его революционеров, хотя это было внутреннее дело Кубы. Американскую верхушку категорически не устраивало выпадение Кубы из зоны из влияния, а еще более – тот факт, что в числе высших руководителей Кубы были коммунисты (легендарный Че Гевара и тогда еще очень юный Рауль Кастро, нынешний кубинский лидер). Когда же коммунистом в 1960 году объявил себя и Фидель, США перешли к открытой конфронтации.

Там принимали и поддерживали злейших врагов Кастро, было введено эмбарго на ведущие кубинские товары, начались покушения на жизнь кубинского лидера (Фидель Кастро является среди политических деятелей абсолютным рекордсменом по числу пережитых покушений, и почти ко всем им имели отношение США). В 1961 году США профинансировали и обеспечили техникой попытку вторжения военного отряда кубинских эмигрантов на Плая-Хирон.

Так что у Фиделя Кастро и СССР, с которым кубинский лидер быстро наладил дружеские отношения, были все основания опасаться силового вмешательства США в кубинские дела.

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;
• образование вязких ударных слоев;
• появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам;
• высокотемпературный поток.

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

В важной проблеме перехода ламинарного течения в турбулентное для случая обтекания летательного аппарата ключевую роль играют волны неустойчивости, образующиеся в ПС. Рост и последующее нелинейное взаимодействие таких волн преобразует изначально ламинарный поток в турбулентное течение

На до- и сверхзвуковых скоростях ключевую роль в ламинарно-турбулентном переходе играют волны Толмина-Шлихтинга, имеющие вихревую природу. Начиная с М = 4,5 в ПС появляются и начинают доминировать волны акустического типа (II мода или мэкавская мода), благодаря которым происходит переход в турбулентность при классическом сценарии перехода (существует также by-pass механизм перехода).

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).

Для инженерных приложений У. Д. Хэйес развил параметр подобия, близкий к правилу площадей Виткомба, который позволяет инженерам применять результаты одной серии испытаний или расчетов, выполненных для одной модели, к разработке целого семейства подобных конфигураций моделей, при этом не проводя дополнительных испытаний или подробных расчетов.

Параметры подобия [ править ]

Категоризация воздушного потока основана на ряде параметров подобия , которые позволяют упростить почти бесконечное количество тестовых примеров в группы подобия. Для околозвуковых и сжимаемой жидкости , то Маха и Рейнольдса числа сами по себе обеспечивают хорошую категоризацию многих случаях потока.

Введение эффектов реального газа означает, что для полного описания состояния газа требуется больше переменных. В то время как неподвижный газ можно описать тремя переменными ( давление , температура , показатель адиабаты ), а движущийся газ — четырьмя ( скорость потока ), горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для химических компонентов газа и газ в неравновесном состоянии решает эти уравнения состояния, используя время как дополнительную переменную. Это означает, что для неравновесного потока может потребоваться от 10 до 100 переменных для описания состояния газа в любой момент времени. Кроме того, разреженные гиперзвуковые потоки (обычно определяемые как потоки с числом Кнудсена)выше 0,1) не подчиняются уравнениям Навье – Стокса .

Гиперзвуковые потоки обычно классифицируются по их общей энергии, выраженной как общая энтальпия (МДж / кг), полное давление (кПа-МПа), давление торможения (кПа-МПа), температура торможения (K) или скорость потока (км / с). .

Уоллес Д. Хейс разработал параметр подобия, аналогичный правилу площади Уиткомба , который позволял сравнивать похожие конфигурации.

Характеристики потока

Хотя определение гиперзвукового потока может быть довольно расплывчатым и, как правило, спорным (особенно из-за отсутствия разрыва между сверхзвуковыми и гиперзвуковыми потоками), гиперзвуковой поток может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые нельзя более аналитически игнорировать, как в сверхзвуковом потоке. . Особенности гиперзвуковых течений заключаются в следующем:

1. Ударный слой
2. Аэродинамический обогрев
3. Энтропийный слой
4. Эффекты реального газа
5. Эффекты низкой плотности
6. Независимость аэродинамических коэффициентов от числа Маха.

Малое расстояние отрыва от удара

По мере увеличения числа Маха тела плотность за создаваемой телом, также увеличивается, что соответствует уменьшению объема за ударной волной из-за сохранения массы . Следовательно, расстояние между головной ударной волной и телом уменьшается с увеличением числа Маха.

Энтропийный слой

По мере увеличения числа Маха, то энтропия изменения поперек шока также увеличивается, что приводит к сильному энтропии градиента и высоко вихревое поток , который смешивается с пограничным слоем .

Вязкое взаимодействие

Часть большой кинетической энергии, связанной с потоком при высоких числах Маха, преобразуется во внутреннюю энергию в жидкости из-за эффектов вязкости. Увеличение внутренней энергии реализуется как повышение температуры. Поскольку градиент давления, нормальный к потоку внутри пограничного слоя, приблизительно равен нулю для гиперзвуковых чисел Маха от низких до умеренных, повышение температуры через пограничный слой совпадает с уменьшением плотности. Это вызывает расширение нижней части пограничного слоя, так что пограничный слой над телом становится толще и часто может сливаться с ударной волной вблизи передней кромки тела.

Высокотемпературный поток

Высокие температуры из-за проявления вязкой диссипации вызывают неравновесные свойства химического потока, такие как колебательное возбуждение, диссоциацию и ионизацию молекул, что приводит к конвективному и .

Штык-нож автомата Калашникова АК-47

История штык ножа ведёт своими корнями к винтовочным штыкам. Желая создать более совершенную модель оружия, Калашников в очередной раз использовал чужую для создания на его базе ножа, носившего универсальное назначение, который мог одновременно выступать и в качестве штыка и служить как бытовой нож. Ему это блестяще удалось, штык нож смог вытеснить НР 40. Все штык ножи можно разделить на три группы:

1. Штык нож 6Х2, ранняя модель, имеющая большое сходство с винтовочными штыками и НР 40;
2. Штык нож образца 1959 года, в его основе лежит нож морских разведчиков-аквалангистов;
3. Штык нож образца 1974 года.

Сверхзвуковые наземные аппараты

На сегодняшний день только один наземный транспорт официально путешествовал со сверхзвуковой скоростью. Это ThrustSSC , управляемый Энди Грином , который удерживает мировой рекорд скорости на суше, достигнув средней скорости на двунаправленном беге 1228 км / ч (763 миль / ч) в пустыне Блэк-Рок 15 октября 1997 года.

В рамках проекта Bloodhound LSR в 2020 году планируется попытка установления рекорда на месторождении Хакскин Пан в Южной Африке с комбинированным реактивным и гибридным ракетным двигателем. Цель состоит в том, чтобы побить существующий рекорд, а затем предпринять дальнейшие попытки, во время которых команды надеются достичь скорости до 1600 км / ч (1000 миль в час). Первоначально проект возглавлял Ричард Ноубл, который был лидером проекта ThrustSSC, однако из-за проблем с финансированием в 2018 году команда была куплена Яном Уорхерстом и переименована в Bloodhound LSR. В новом проекте сохранены многие из первоначального инженерного состава Bloodhound SSC, а Энди Грин по-прежнему является лидером в попытках установить рекорд, а испытания на высоких скоростях, как ожидается, начнутся в октябре 2019 года.

Литература

Сухопутные силы

Сухопутный компонент будущей гиперзвуковой «триады» представлен комплексом под названием Long Range Hypersonic Weapon, или LRHW (ранее также использовали обозначение Hypersonic Weapons System), о котором в последнее время появилось немало интересных данных. В феврале 2020 года Американская армия показала облик пусковой установки Transporter Erector Launcher этого гиперзвукового комплекса. Общие же сведения о концепции LRHW появились раньше, а именно – на прошедшем в августе 2019 года симпозиуме Space and Missile Defense Symposium.

Модель LRHW

Источник изображения: James Harvey

Как выяснилось, речь идет об универсальной твердотопливной баллистической ракете средней дальности наземного базирования AUR (All-Up-Round), которая имеет универсальную управляемую маневренную планирующую гиперзвуковую боевую часть Common Hypersonic Glide Body (C-HGB). Как тогда сообщал блог Центра анализа стратегий и технологий bmpd, обе составные части разрабатывают Сандийские национальные лаборатории Министерства энергетики США при участии Агентства по противоракетной обороне.

Common Hypersonic Glide Body

Источник изображения: bastion-karpenko.ru

Комплекс будет базироваться в двух контейнерах, буксируемых тягачом Oshkosh M983A4 – крупной восьмиколесной машиной. Со стороны это будет похоже на существующие ракетные оперативно-тактические комплексы, такие как российский «Искандер».

Полуприцеп пусковой установки – модифицированный М870 для зенитной ракетной системы Patriot. Для управления огнем хотят применить стандартную американскую систему управления AFATDS версии 7.0. Предполагается, что батарея LRHW будет состоять из четырех двухконтейнерных пусковых установок и одной машины управления огнем.

По мнению экспертов, скорость боевой части может достигать восьми Махов или даже выше. Во всяком случае, именно такими показателями обладает экспериментальный блок Advanced Hypersonic Weapon, в основу которого, вероятно, и положили Common Hypersonic Glide Body. Заявленная дальность первого – 6800 километров.

США долгие годы ведут работы над гиперзвуковыми комплексами. Еще 17 ноября 2011 года американцы провели первое летное испытание экспериментальной системы Advanced Hypersonic Weapon – боевого блока, имеющего биконическую форму с четырьмя аэродинамическими поверхностями. Годом ранее DARPA и ВВС США испытали экспериментальный управляемый боевой блок Hypersonic Test Vehicle.

Как мы видим, ряд важных вопросов, связанных с LRHW, только предстоит прояснить. Но одно можно сказать наверняка: Армия США очень хочет заполучить такое оружие.

Еще 29 августа 2019 года Lockheed Martin получила контракт от Пентагона на сумму 347 миллионов долларов, предполагающий разработку и создание опытного образца LRHW, что, помимо всего прочего, сделало корпорацию генеральным подрядчиком в программе. Стоит отметить, что саму по себе боевую часть C-HGB создают не только в интересах Сухопутных сил, но и для ВВС, и ВМС. А что мы получим в итоге, покажет время.