Гіперзвукова течія
ГИПЕРЗВУКОВОЕ ТЕЧИНА, граничний випадок надзвукового течії, у якому швидкість v газу у всій області течії чи її значної частини велика проти швидкістю звуку а газі (v >> а), т. е. Маха число М = v/ а >> 1. Існують і інші критерії гіперзвукової течії, наприклад 1/М 2 > 1 (l – середня довжина вільного пробігу молекул у навколишній атмосфері, L – характерна макроскопічна довжина тіла). Спочатку теорія гіперзвукової течії розвивалася в рамках наближення ідеального (нев'язкого) газу стосовно проблеми входу КА в щільні шари атмосфери Землі та планет. При дуже великих числах М потоку, що набігає, коли 1/М 2 2 ∞)] в ударному шарі перестають залежати від умов в набігаючому потоці (ν, ρ, р - швидкість, щільність і тиск газу за ударною хвилею, v∞ і ρ ∞ - швидкість і щільність газу в потоці, що набігає). Цю властивість називають стабілізацією перебігу біля тіл при великих числах М.
При гіперзвуковому обтіканні тонких загострених попереду тіл обертання з теорії слід так званий закон плоских перерізів, або принцип еквівалентності: частинки газу відчувають мале поздовжнє зсув, але зміщуються (виштовхуються) тільки перпендикулярно напрямку руху тіла від поверхні тіла 1 до ударної хвилі 2 (рис.) , залишаючись у вихідній площині а-а, тобто рух частинок є плоским, тим самим реалізується еквівалентність тривимірного гіперзвукового обтікання тонких загострених тіл з неусталеними двовимірними течіями.
На практиці гіперзвукові апарати мають трохи затуплені носок і передні кромки для зменшення аеродинамічного нагріву. Тому проблемі гіперзвукового обтікання затуплених тіл приділяється особлива увага. Оцінки показують, що вплив малого затуплення пригіперзвукової швидкості необхідно враховувати, навіть коли розмір затупленої частини можна знехтувати. Якщо при русі тіла в плоскому шарі дотримується принцип еквівалентності, то в момент входу в цей шар переднього кінця тіла наявність малого затуплення викликає миттєве зосереджене підведення енергії до газу - виникає завдання про зосереджений вибух. Ця вибухова аналогія дозволила поширити закон подібності, встановлений раніше для тонких загострених тіл, на тіла з малим затупленням.
Тиск на поверхні тіла при дуже великих значеннях числа Маха в потоці, що набігає М∞ →∞ і γ → 1 (γ = cp/cV - відношення теплоємностей газу при постійному тиску і постійному обсязі) може бути визначено за формулою р = р∞v∞ 2 sin 2 α, де α - кут між дотичної до поверхні тіла і напрямом швидкості потоку, що набігає. Було встановлено, що й формулу доповнити коефіцієнтом, дає правильне значення тиску при α = π/2, то тиск на навітряної боці затуплених носових частин визначається досить точно. Ця теорія отримала назву «модифікованої теорії Ньютона», і, попри її, власне, емпіричне походження, вона виявилася дуже корисною визначення тиску, особливо у поверхнях складної конфігурації.
При гіперзвукових швидкостях польоту прикордонний шар потовщений через високу температуру в ньому, що призводить до виникнення взаємодії між в'язким перебігом у прикордонному шарі та зовнішнім, по суті нев'язким потоком. Тиск, індукований взаємодією в'язкого та нев'язкого потоків, пропорційно М 3 ∞, звідки випливає, що облік в'язкості необхідний при розрахунках характеристик гіперзвукової течії.
Для вирішення задач гіперзвукового обтікання тіл використовуються різні моделі в залежності від значень.Рейнольдса числа Re (зменшення зі збільшенням висоти польоту). При великих значеннях числа Re (Re & gt; 10 6 ) користуються асимптотичними моделями ідеальної рідини у поєднанні з теорією прикордонного шару (ламінарного або турбулентного), враховуючи фізико-хімічні процеси, що відбуваються в газі при високій температурі. Зі зменшенням числа Re все більшу частину області течії між ударною хвилею і тілом починає займати шар із значним впливом в'язкості, так що необхідно враховувати зворотний вплив прикордонного шару на зовнішній потік, а також вплив на прикордонний шар поперечного градієнта швидкості (завихрення) у зовнішньому потоці. При Re 5 шар із впливом в'язкості займає всю область між головною ударною хвилею та поверхнею тіла. Для розрахунку течії цьому шарі застосовують так звану модель в'язкого ударного шару. При подальшому зменшенні числа Re (Re 3 ) вже не можна знехтувати товщиною ударної хвилі в порівнянні з товщиною шару газу між нею і тілом, що обтікається. Цьому в умовах земної атмосфери відповідають настільки низькі значення густини газу, що при них газодинамічна модель суцільного середовища повинна замінюватися молекулярно-кінетичною моделлю.
Починаючи з 1980-х років, гіперзвукові течії інтенсивно досліджуються за допомогою чисельних методів. Розвиток ефективних чисельних методів та потужних ЕОМ дозволило розраховувати все поле течії біля тривимірних апаратів з урахуванням різних фізико-хімічних процесів у ударному шарі. Успішні польоти пілотованих КА, а також повернення на Землю космічних зондів після дослідження планет Сонячної системи – найкраще підтвердження високого рівня теоретичних та експериментальних досліджень гіперзвукових течій.
Літ.: Чорний Г. Г. Перебіг газу з великою надзвуковою швидкістю. М., 1959; ХейзУ .Д., Пробстін Р. Ф. Теорія гіперзвукових течій. М., 1962; Дорренс У. Х. Гіперзвукові течії в'язкого газу. М., 1966; Лунєв В. В. Гіперзвукова аеродинаміка. М., 1975; Пілюгін Н. Н., Тирський Г. А. Динаміка іонізованого випромінюючого газу. М., 1989; Park С. Nonequilibrium hypersonic aerothermodynamic. N. Y., 1990.