MHD2 开始

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……在超音速喷管(例如二维喷管)的扩张段中,气体被加速:

……上图为火箭推进器扩张段中的马赫波。这些波似乎会在壁面上反射。这与壁面流动的一个相容性条件有关:两道马赫波(或特征线)的内角平分线代表流动方向,而该方向必须与壁面相切。

……声速在喉部达到。在上游,气体处于亚音速。它在扩张段中被加速,压力下降。火箭发动机的排气速度越高,其工作效率就越好。但有一个代价:气体还必须以等于环境压力的压力喷出,即在推进器工作的高度上的环境压力。这被称为“喷管适配”。如果扩张段过于陡峭,气体将以低于环境(大气)压力的压力喷出,并会出现再压缩激波。马赫波也称为流动的“特征线”。在轴对称的火箭发动机中,这些马赫波是锥形的。这意味着在喷管的任意一点,如果放置一个沙粒大小的固定障碍物,它就会产生一个锥形马赫波。

……速度矢量则对应于锥体的半顶角。马赫数越高,这个马赫锥就越尖锐。

……飞机的喷气发动机装有可变截面喷管,其扩张段随着高度增加和环境压力下降而逐渐张开。

……喷气发动机喷管的扩张段装有“花瓣”,它们通过液压缸随着压力降低而张开,这由气压测量直接控制。由于排气速度更高,这些发动机在高空具有更好的效率。

……但让我们回到我们的水槽。当弯道呈现如下情况时会发生什么:

……左侧的“收缩段”不太陡峭。特征线(马赫波)趋于收拢,但不会相交(否则就在流动本身之外了)。局部马赫数和水流速度降低,水深增加(相当于气体中的压力)。

……右侧的弯道过于陡峭。马赫波趋于相交。出现了一个液体“水跃”,类似于气体中的激波。流动出现不连续性。在激波下游,水流速度在穿过水跃-波时急剧下降。

……船首也是一个“收缩段”。如果船以低速运动,低于表面波的传播速度(因此处于“亚音速”),则不存在马赫波。相应地,水位保持不变。

……在更高速度下(V > a),可以借助计算机在二维流动中计算理论马赫波的几何形状。可以看到它们相交,趋于聚焦:

……在上图中,我们借助计算机(1979年)通过求解流体力学方程(纳维-斯托克斯方程),计算了浸没在超音速气流中的透镜形翼型周围气流中的理论马赫波。可以看到马赫波趋于聚焦。我们只表示了一族波。这些聚焦位置是激波的“诞生之地”。事实上,这些马赫波是压缩小波。因此上述流动在物理上并不现实。应注意翼型两侧存在两个膨胀扇。因此会出现两个激波系统:

……在激波下游,气体被“冲击”、再压缩,其速度降低。这一现象发生在非常薄的厚度上:几百分之一毫米。

……在前激波下游,气体在被急剧减速后,按照“膨胀扇”连续再加速。它甚至被“超加速”,以至于必须在翼型后缘建立第二道激波,称为底部激波,以便在下游按照我在漫画《沉默之墙》(见“CD-Lanturlu”)中提到的原理恢复环境压力:

请让气体保持在进入时所发现的状态。

……如果前缘是二面角,速度矢量在方向上也会发生不连续性:

(如果后缘也是二面角形状,则现象类似)。

……让我们看看在水力类比中这会怎样。

……可以看到,船侧水的超加速使船体位于水线以下的部分显露出来。

……这些波系统(在气流中或在自由表面液体流动中)改变了翼型或船体周围的压力分布。由此产生波阻,它叠加在摩擦阻力之上。在超音速巡航时(例如协和式飞机飞行时),波阻变得如此之大,以至于远远超过摩擦阻力。因此超音速飞行是巨大的能量消耗者,飞行器必须配备强大的发动机。同样,这些超音速飞行只能在高度进行,否则波阻会变得过高。喷气式飞机在贴近地面时几乎无法超过马赫1.2。

这些能量去了哪里?它以两种方式耗散。超音速飞行器产生非常强烈的“音爆”,将能量分布到很远的地方,就像爆炸物产生的激波在远距离耗散能量一样。激波也会导致空气加热,但以声音形式耗散占主导。

……我们这里展示的是一个“附着波”系统。如果飞行器前部是钝的(例如航天飞机的机鼻或机翼和尾翼的前缘),激波会在距物体一定距离处建立。由于在流动的“驻点”处速度为零,流动在波的下游变为亚音速,然后进行再加速。

……激波下游气体的再压缩伴随着加热。“驻点”处的温度随马赫数(及其平方)非常迅速地升高。因此超音速飞机在其前部(机鼻、前缘)承受强烈的热应力。尽管这会导致阻力增加,但在非常高的马赫数(高超音速状态)下,机鼻或前缘必须做成钝的,以分散热量流入。请记住X-15这样的实验飞行器非常钝的机鼻。

……在再入体的情况下,这并不碍事,因为恰恰相反,我们要的是减速。俄罗斯再入舱只是球形。美国再入舱有一个重要的“热防护罩”,在那里材料发生部分烧蚀(它们设计为只使用几分钟,如果舱体要重复使用,每次再入后都必须更换。

……1975年,我们提出了在稠密空气中、贴着屋顶进行可能的超音速甚至高超音速(高达马赫15)飞行的问题。用常规系统(火箭推进器或冲压式喷气发动机、外加热防护罩或液氦冷却的前部),这些极高速巡航是完全不可想象的。没有任何系统能够承受如此大的热量流入,也无法提供克服如此大的波阻所需的推力。

……我是第一个提出MHD可以解决这个问题的人(1975年给法国科学院《报告》的札记和1976年《科学与生活》上的文章)。相当令人震惊的是,某些人群体采纳了这个想法,却丝毫不引用这项先驱工作,而当一个在这方面完全无能的旧技术员最近在电视上宣称:

——我们现在知道如何让飞行器以超音速飞行而不产生激波。

这件事简直变得可笑。但应该说,这在科技界相当常见。

……因此,从1975年起我们就思考如何干脆消除既产生大量热量流入又产生巨大波阻的激波。要处理这个问题,必须很好地理解这些激波为何形成。

……当一个物体以亚音速进入气团时,是声波“预先告知”气体它的到来。当一个物体,即使是钝的,以亚音速进入气体时,后者在物体还未到达之前就开始让开: