Начало MHD2
...В расширяющейся части сверхзвуковой сопла (например, двумерной) газ ускоряется:
...Выше показаны волн Маха в расширяющейся части ракетного двигателя. Эти волны, казалось бы, отражаются от стенки. Это связано с условием совместимости потока у стенки: внутренняя биссектриса двух волн Маха, или характеристик, представляет направление потока, которое должно быть касательным к стенке.
...Скорость звука достигается в горле. Вверх по потоку газ движется со сверхзвуковой скоростью. В расширяющейся части газ ускоряется, давление падает. Ракетный двигатель работает с тем большим КПД, чем выше скорость истечения. Однако есть и обратная сторона: газ должен истекать при давлении, равном атмосферному, на высоте, на которой работает двигатель. Это называется «настройка сопла». Если расширяющаяся часть слишком сильно расширена, давление газа на выходе будет ниже атмосферного, и появятся ударные волны сжатия. Волны Маха также называют «характеристиками» потока. В ракетном двигателе с осевой симметрией эти волны Маха имеют коническую форму. Это означает, что в любой точке сопла, если бы мы поместили неподвижный препятствие размером с песчинку, оно породило бы коническую волну Маха.
...Вектор скорости соответствовал бы полууглу при вершине конуса. Чем выше число Маха, тем острее будет конус Маха.
...Двигатели реактивных самолетов оснащены соплами с переменным сечением, расширяющимся по мере увеличения высоты и снижения атмосферного давления.
...Расширяющиеся части сопел реактивных двигателей снабжены «лопастями», которые открываются с помощью гидравлических цилиндров по мере снижения давления, что напрямую контролируется барометрическим измерением. Поскольку скорость истечения выше, такие двигатели имеют лучший КПД на большой высоте.
...Но вернемся к нашему каналу. Что происходит, когда поворот имеет следующий вид:
...Слева сужающаяся часть не слишком сильно сужена. Характеристики (волны Маха) стремятся сблизиться, но не пересекаются (иначе — вне самого потока). Наблюдается уменьшение локального числа Маха, снижение скорости и увеличение высоты воды (аналог давления в газе).
...Справа поворот слишком резкий. Волны Маха стремятся пересечься. Появляется «гидравлический скачок», аналогичный ударной волне в газе. Поток испытывает разрыв. За скачком скорость резко падает при переходе через волну.
...Нос корабля также представляет собой «сужающуюся часть». Если корабль движется медленно, со скоростью ниже скорости распространения поверхностных волн (то есть в «субзвуковом» режиме), волн Маха не существует. Соответственно, уровень воды остается постоянным.
...При более высокой скорости (V > a) с помощью компьютера можно рассчитать в двумерном потоке геометрию теоретических волн Маха. Устанавливается, что они пересекаются, стремятся сфокусироваться:
...На приведенном рисунке рассчитаны теоретические волны Маха в газовом потоке, решением уравнений гидродинамики (Навье-Стокса) вокруг профиля линзового сечения, погруженного в сверхзвуковой поток, с помощью компьютера (1979). Устанавливается, что волны Маха стремятся сфокусироваться. Показана лишь одна семья волн. Эти точки фокусировки являются «местами рождения» ударных волн. Действительно, волны Маха — это волны сжатия. Следовательно, данный поток физически нереалистичен. Заметны два веера расширения на боках профиля. Следовательно, появятся два системы ударных волн:
...За ударными волнами газ «сжат», сжат и его скорость уменьшается. Это происходит на очень малой толщине — несколько сотых миллиметра.
...За передней ударной волной, после резкого торможения, газ непрерывно ускоряется по «вееру расширения». Он даже «переускоряется», так что вторая ударная волна, называемая «хвостовой ударной волной», должна образоваться на заднем крае профиля, чтобы восстановить вниз по потоку атмосферное давление, согласно принципу, описанному в моей комиксе «Стена молчания» (см. «CD-Lanturlu»):
Просьба оставить газ в том состоянии, в котором он был при входе.
...Вектор скорости также испытывает разрыв направления, если передний край имеет форму двугранного угла:
(аналогичный эффект, как на заднем крае, если он также имеет форму двугранного угла).
...Рассмотрим аналогичный гидравлический случай.
...Видно, что переускорение воды на бортах корабля вызывает появление части корпуса, находящейся в покое ниже ватерлинии.
...Эти системы волн (в газовом потоке или в потоках жидкости с свободной поверхностью) изменяют распределение давления вокруг профиля или корпуса. В результате появляется волновая сопротивление, которое добавляется к силе трения. При сверхзвуковом движении (например, при полете Concorde) волновое сопротивление становится настолько значительным, что превосходит сопротивление трения. Следовательно, сверхзвуковой полет требует огромных энергозатрат, и аппараты должны быть оснащены мощными двигателями. Кроме того, такие полеты возможны только на большой высоте, иначе волновое сопротивление станет неприемлемым. Реактивный самолет вряд ли может превысить число Маха 1,2 на уровне земли.
Куда девается эта энергия? Она рассеивается двумя способами. Сверхзвуковые аппараты создают очень сильный «хлопок», рассеивающий энергию на большие расстояния, подобно ударной волне, возникающей при взрыве. Ударная волна также вызывает нагрев воздуха, но основная часть энергии рассеивается в виде звука.
...Мы здесь представили систему «прикрепленных волн». Если передняя часть аппарата закруглена (нос или передние кромки крыльев и оперения, в случае космического шаттла), ударная волна образуется на некотором расстоянии от объекта. Поскольку скорость в «точке остановки» потока равна нулю, поток становится субзвуковым за волной, а затем происходит повторное ускорение.
...Сжатие газа за ударной волной сопровождается нагревом. Температура в «точке остановки» резко возрастает с числом Маха (пропорционально квадрату числа Маха). Следовательно, сверхзвуковые самолеты испытывают значительные тепловые нагрузки на передних частях (нос, передние кромки). Хотя это приводит к увеличению сопротивления, носы и передние кромки должны быть закруглены при очень высоких числах Маха (гиперзвуковой режим), чтобы распределить тепловой поток. Вспомните очень закругленный нос экспериментального аппарата, такого как X-15.
...В случае входящих в атмосферу тел это не является проблемой, поскольку, наоборот, требуется торможение. Российские капсулы входа имеют простую сферическую форму. Американские капсулы имеют значительный «теплозащитный экран», в котором происходит частичное выгорание материала (они не рассчитаны на длительную эксплуатацию — их нужно заменять после каждого входа, если капсула используется повторно).
...В 1975 году мы поставили перед собой вопрос о возможном развитии сверхзвукового, а даже гиперзвукового...