Гиперзвуковая скорость

Содержание

Режимы [ править ]

Гиперзвуковое течение можно приблизительно разделить на несколько режимов. Выбор этих режимов грубый из-за размытия границ, где можно обнаружить тот или иной эффект.

Идеальный газ

В этом режиме газ можно рассматривать как идеальный газ . Расход в этом режиме все еще зависит от числа Маха. Моделирование начинает зависеть от использования стенки с постоянной температурой, а не адиабатической стенки, обычно используемой при более низких скоростях. Нижняя граница этой области составляет около 5 Махов, когда ПВРД становятся неэффективными, а верхняя граница — около 10-12 Махов.

Двухтемпературный идеальный газ

Это подмножество режима идеального газа, в котором газ можно считать химически совершенным, но вращательную и колебательную температуры газа следует рассматривать отдельно, что приводит к двум температурным моделям. См., В частности, моделирование сверхзвуковых сопел, где становится важным вибрационное замораживание.

Диссоциированный газ

В этом режиме двухатомные или многоатомные газы (газы, присутствующие в большинстве атмосфер) начинают диссоциировать, когда они вступают в контакт с головной ударной волной, создаваемой телом. Катализ поверхности играет роль в расчете нагрева поверхности, а это означает, что тип материала поверхности также влияет на поток. На нижней границе этого режима любой компонент газовой смеси сначала начинает диссоциировать в точке торможения потока (которая для азота составляет около 2000 K). На верхней границе этого режима эффекты ионизации начинают сказываться на потоке.

Ионизированный газ

В этом режиме заселенность ионизированных электронов застойного потока становится значительной, и электроны необходимо моделировать отдельно. Часто с температурой электронов обращаются отдельно от температуры остальных компонентов газа. Эта область встречается при скоростях набегающего потока около 3-4 км / с. Газы в этой области моделируются как неизлучающая плазма .

Режим с преобладанием излучения

При скорости выше 12 км / с передача тепла транспортному средству меняется с преобладающей кондуктивной на радиационную. Моделирование газов в этом режиме делится на два класса:

1. Оптически тонкий : газ не поглощает повторно излучение, исходящее от других частей газа.
2. Оптически толстый: излучение следует рассматривать как отдельный источник энергии.

Моделирование оптически толстых газов чрезвычайно сложно, поскольку из-за расчета излучения в каждой точке вычислительная нагрузка теоретически увеличивается экспоненциально по мере увеличения количества рассматриваемых точек.

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.

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.

Виды боевых частей

Не меньшим разнообразием отличаются и непосредственно боевые части самих ракет. Здесь мы приведем самые распространенные.

9H123. Осколочно-фугасный тип снаряда. Разработка была закончена в конце 60-х годов. В его конструкции имеется почти 163 килограмма взрывчатого вещества и 14,5 тыс. полуготовых осколков. Они могут накрыть площадь до трех гектаров. Здесь следует заметить, что при проектировании было произведено огромное количество расчетов, по результатам которых тротиловая масса располагается под углом к центральной оси ракеты, чем обеспечивает максимально равномерное распределение осколочной массы по площади.

Именно за этот снаряд нелюбима в среде пехоты «Точка-У». Поражение живой силы при его использовании приближается к 100 %. Спрятаться от тяжелых поражающих элементов можно только в очень хорошем укрытии.

• 9H123K. Чем примечательна эта ракета «Точка-У»? Характеристики ее довольно просты: кассетный осколочный снаряд с 50 суббоеприпасами. Каждый из них — это отдельный небольшой снаряд весом в 7,5 килограммов, причем полтора килограмма занимает заряд взрывчатого вещества. Отдельные «гранаты» разбрасывают приблизительно 316 осколков, но за счет их разброса на высоте приблизительно двух километров они покрывают за раз до семи гектаров. Чтобы разброс кассет происходил более равномерно, их падение стабилизируется за счет ленточных парашютов.

Вот чем характеризуется ракетный комплекс «Точка-У». Фото, которые в должном количестве представлены в статье, позволят вам самим создать о нем свое представление.

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.

Российский учебно-боевой самолет нового поколения ЯК-130

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

См. Также [ править ]

• Сверхзвуковой транспорт
• Подъемное тело
• Вход в атмосферу
• Гиперзвуковой полет
• Проект DARPA Falcon
• Reaction Engines Skylon (исследование дизайна)
• Реакционные двигатели A2 (проектное исследование)
• HyperSoar (концепция)
• X-51 Вэйверидер
• X-20 Dyna-Soar (отменен)
• Rockwell X-30 (отменен)
• Аватар RLV (Индийское концептуальное исследование 2001 г.)
• Автомобиль-демонстратор гиперзвуковых технологий (индийский проект)
• Аякс (российский проект волнового райдера 1990-х годов)
• Авангард (российский гиперзвуковой планер, в строю)
• DF-ZF (китайский гиперзвуковой глиссирующий аппарат, готов к эксплуатации)
• Lockheed Martin SR-72 (планируется)

Двигатели

• Ракетный двигатель
• Ramjet
• Скрэмджет
• Двигатели реакции SABRE , LAPCAT (проектные исследования)

Ракеты

• Баллистическая ракета » Шаурья» (ракета) — Индия (начало производства)
• Крылатая ракета BrahMos-II — (в разработке)
• Баллистическая ракета малой дальности 9К720 Искандер Россия (Состоит на вооружении)
• Противокорабельная гиперзвуковая крылатая ракета 3М22 Циркон (в производстве)
• Р-37 (ракета) Гиперзвуковая ракета класса « воздух-воздух» (в строю)
• Х-47М2 Кинжал Гиперзвуковая баллистическая ракета воздушного базирования (в строю)

Другие режимы течения

• Дозвуковой полет
• Трансзвуковой
• Сверхзвуковая скорость

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.

Объявления о продаже ГАЗ 69

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 [ 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 может быть описан 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.

История проекта

Историческая справка

СУ-152 — тяжёлая советская самоходно-артиллерийская установка (САУ) времён Великой Отечественной войны, построенная на базе тяжёлого танка КВ-1с и вооружённая мощной 152-мм гаубицей-пушкой МЛ-20С. По своему боевому предназначению СУ-152 в равной степени являлась как тяжёлым истребителем танков, так и тяжёлым штурмовым орудием.

Постройка первого прототипа СУ-152 под названием Объект 236 (также КВ-14 или СУ-14) была закончена 24 января 1943 года, со следующего месяца начался её серийный выпуск. В связи со снятием с производства танка-базы КВ-1с СУ-152 в декабре 1943 года были заменены в производстве равноценной по вооружению и лучше бронированной ИСУ-152, всего было построено 670 самоходно-артиллерийских установок этого типа.

Литература

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 даны ссылки на «режимы» или «диапазоны значений Маха» вместо обычных значений «дозвуковой» и «сверхзвуковой».