Мы стоим на пороге освоения нового типа полета и новых летательных аппаратов

НаукаHi-Tech

Гиперзвуковая крылатая ракета и ее скачки

Мы стоим на пороге освоения нового типа полета и новых летательных аппаратов — крылатых ракет с гиперзвуковым двигателем. Но перейти к серийным образцам пока не удается, несмотря на большие усилия.

Николай Цыгикало

Гиперзвуковой полет

Позвольте представить вам гиперзвуковой полет. Движение в среде вещества со скоростью быстрее звука в ней называется сверхзвуковым. Насколько быстрее, показывает сравнение с местной скоростью звука. Это сравнение назвали числом Маха, разделив скорость движения на скорость звука и обозначив его М. В сверхзвуковом полете значение числа Маха больше единицы, например 1,7 или 3. С таким числом Маха летят сверхзвуковые самолеты. Но область скоростей с М = 5 и больше выделили среди сверхзвукового диапазона и назвали гиперзвуковым движением. При стандартной скорости звука у земли 340 м/с скорость М = 5 составит 1700 м/с.

Первым изделием человека, достигшим гиперзвуковой скорости, стала баллистическая ракета «Фау-2» Вернера фон Брауна, развивавшая в полете скорость как раз 1700 м/с. В плейстоценовом морозе нижней стратосферы скорость звука (а она зависит от температуры) составляет 295 м/с, поэтому число Маха у «Фау-2» должно было подниматься до М = 5,8. Позже гиперзвуковых скоростей достигли разнообразные тактические ракеты с освоением дальности 400– 500 км. Дальности еще больше всегда сопровождаются гиперзвуковым входом в атмосферу, и с ростом дальности растет число Маха. Разгонялись до гиперзвука некоторые зенитные ракеты. Например, жидкостная ракета 5В28 зенитного комплекса С-200, которую поэтому использовали для экспериментов с гиперзвуковым двигателем по темам «Холод» и «Игла». Высокую гиперзвуковую скорость развивали ракеты 53T6 советского противоракетного комплекса А-135, скорость которых в атмосфере, по разным данным, достигала М = 13–18.

Тактические ракеты (это дальность до 500 км) и боеголовки дальнего следования встречали гиперзвуковой поток в виде лобового сопротивления. Позже аэробаллистические ракеты вроде ракет комплекса «Искандер» стали использовать для маневрирования подъемную силу гиперзвукового обтекания, ставя гладкую морковку ракеты под углом атаки к встречному потоку. Так делает и твердотопливная ракета авиационного комплекса «Кинжал», самолетный вариант ракеты «Искандера».

Космическая техника тоже проходит гиперзвуковой участок полета. Ракеты-носители достигают его в верхних слоях атмосферы. Гиперзвуковую подъемную силу использует крылатая ракета-носитель «Пегас», выходя на гиперзвук в верхней стратосфере и успевая захватить треугольным крылом остатки быстро тающей атмосферы. С гиперзвуковой скоростью входили в атмосферу «Спейс Шаттл», «Буран», советские крылатые аппараты серии «Бор». Гиперзвуковой участок есть у всех сегодняшних возвращаемых космических аппаратов.

И лишь недавно появились летательные аппараты, конструкция которых полностью оптимизирована под создание гиперзвуковой подъемной силы, став шей главным началом, формирующим траекторию. Именно такие аппараты называют гиперзвуковыми. Эти штуковины сделаны специально для гиперзвукового полета и максимально используют его особенности. Они группируются в два типа, оба в качестве боевых средств. Первый — аппараты без двигателя, или планирующие боевые блоки. Они могут планировать с гиперзвуковой скоростью на дальность до тысячи километров. Второй — гиперзвуковые крылатые ракеты, оснащенные гиперзвуковым воздушно-реактивным двигателем, по строению схожие с обычными крылатыми ракетами. Конструкция с гиперзвуковым двигателем самая продвинутая, и именно она называется сегодня гиперзвуковой ракетой в наиболее полном смысле этого понятия.

Отличия гиперзвукового обтекания

Но почему гиперзвуковую область разграничили со сверхзвуковой? Чем она отличается от сверхзвука и почему границу провели именно по пятикратной скорости звука, по М = 5? Граница эта имеет физический смысл, потому что за ней обтекание становится другим.

В сверхзвуковом полете набегающий поток частично тормозится аппаратом, сжимаясь об него и уплотняясь. Сжатие повышает температуру воздуха, и чем оно сильнее, тем горячее сжатый воздух. Сильнее всего поток тормозится на частях аппарата, встречающих воздух. Поэтому передние кромки крыльев, стабилизаторов и киля, другие выступающие в поток части нагреваются до нескольких сотен градусов, например до 330°С при М = 3. Сверхзвуковой удар об препятствие словно дробит большую сверхзвуковую скорость на мириады крошечных движений молекул, мелких и разнонаправленных. Столь тонко дисперсный помол движения переводит кинетическую энергию во внутреннюю, делая теплом. Прибавка движения молекул становится нагревом, повышая температуру. Но этот нагрев никак не отражается в самих молекулах воздуха, летящих простыми точка ми и сталкивающихся между собой с растущей силой.

Рост скорости потока усиливает удары молекул. При М = 5 столкновения отзываются в самих молекулах. Два атома в молекулах основных газов воздуха, азота и кислорода, начинают резонировать ударам и колебаться, сближаясь и расходясь. Это новое, колебательное движение, забравшееся внутрь молекулы. Огромная скорость гиперзвукового потока усиливает удар о препятствие и его размол, дробя кинетическую энергию до трансформации в еще более мелкие формы движения — внутримолекулярные. Они добавляют молекуле свою энергию вместе с начинающей проявляться энергией еще одного нового движения — вращения молекул. Эти новшества идут добавками к теплоемкости газа, запасая все больше тепла и повышая энергичность процессов.

Накачка энергией ослабляет связи атомов, удаляющихся друг от друга в колебаниях все больше, и молекулы начинают распадаться. Свободные атомы вступают в новые соединения — текут химические реакции. Они множатся, подпитываясь энергией потока и каталитическими эффектами материалов аппарата. Атомы теряют электроны, возникает плазма, растет ее концентрация. Ударная волна от носовой части и передних кромок наклоняется все сильнее и ложится на корпус, обтягивая весь летательный аппарат. Волна сливается с поверхностным слоем, образуя единый вязкий ударный пограничный слой. Переставший быть идеальным газ течет каскадами неравновесных состояний, с высокочастотными волнами неустойчивости и друuими усложнениями. Для адекватного описания происходящего требуются емкие математические построения и сотни специфических переменных. Их значения меняются все сразу, одновременно с температурами, давлениями и концентрациями, энергиями и баланса ми реакций и множеством других факторов. Все это обильно сдобрено излучением и поглощением в диапазоне от теплового до ультрафиолета и ярко светит с поверхности аппарата, разительно отличаясь от простого сверхзвукового сжатия и нагрева.

Скачок уплотнения

Это очень важное сверхзвуковое понятие, определяющее полет гиперзвуковой ракеты и, подобно Эль брусу, имеющее две вершины приложения, снаружи и внутри ракеты. Часто и повсеместно его путают с ударной волной, но это не одно и то же. Скачок уплотнения возникает в сверхзвуковом потоке как невозможность возмущениям воздуха от каких-либо обтекаемых препятствий рассасываться вперед. Они движутся лишь со скоростью звука и скапливаются перед источником возмущений, не в силах убежать от него вверх по сверхзвуковому потоку. Поток напирает и трамбует это скопление возмущений, создавая здесь уплотнение воздуха. Оно происходит сильно и резко, скачкообразно, на расстоянии пары пробегов молекул за десятимиллиардную долю секунды. Эта мгновенная ступенька роста плотности и есть скачок уплотнения.

И так же скачкообразно происходит торможение потока, мгновенно сбавляющего скорость и текущего за скачком медленнее. Снижение кинетической энергии потока переходит в прибавку потенциальной энергии сжатия и тепла. Со скачком плотности так же резко вырастают давление и температура. В скачке уплотнения часть энергии потока теряется, расходуется, образуя газодинамические потери. Это вызывает добавочное замедление потока. Потери энергии в скачках разные, и с этим различием можно работать.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Что такое сновидения Что такое сновидения

Ученые объясняют феномен сна и все, что в это время происходит с мозгом

GQ
Это надолго Это надолго

Как меняется секс в отношениях, куда девается и когда уже начинать волноваться?

Cosmopolitan
Дай волю сексуальным мечтам Дай волю сексуальным мечтам

Какие тайные фантазии стоит сделать явью?

Playboy
Не делай так: 6 признаков того, что твой интерьер давно устарел Не делай так: 6 признаков того, что твой интерьер давно устарел

Какие детали интерьера способны выдать плохой вкус его владельца.

Cosmopolitan
Инстинкт собирательства Инстинкт собирательства

Российские женщины-коллекционеры и галеристы о значимых работах из их собраний

Robb Report
Четыре устрашающие находки археологов Четыре устрашающие находки археологов

Археология — по-настоящему жуткая наука

Maxim
Прошла любовь: 10 звездных разводов, которые заставили нас плакать Прошла любовь: 10 звездных разводов, которые заставили нас плакать

Вспоминаем, чьи разводы тронули нас до глубины души.

Cosmopolitan
Как сделать очки виртуальной реальности из картона? Как сделать очки виртуальной реальности из картона?

Превращаем смартфон в очки виртуальной реальности отменного качества

Популярная механика
Собаки прошли тест на осознание границ своего тела Собаки прошли тест на осознание границ своего тела

Собаки способны воспринимать свое тело как помеху при решении задачи

N+1
«Летающий банан» — пять серьезных фактов про самый смешной вертолет в истории «Летающий банан» — пять серьезных фактов про самый смешной вертолет в истории

Банана, банана-мама…

Maxim
Мясное растениеводство Мясное растениеводство

Производством искусственных котлет занялись и стартапы, и крупные агрохолдинги

Forbes
Физики научились управлять движением магнитных вихрей Физики научились управлять движением магнитных вихрей

Сделан важный шаг на пути к полному управлению магнитными вихрями

Наука
Бизнесмен Тихон Смыков вспоминает, как в России появились Nokia, Apple, Nike и LEGO Бизнесмен Тихон Смыков вспоминает, как в России появились Nokia, Apple, Nike и LEGO

Тихон Смыков о том, как отечественный рынок ретейла поднимался с колен

GQ
Для карьеры и не только: как научиться красиво говорить Для карьеры и не только: как научиться красиво говорить

Как научиться говорить красиво и правильно

Cosmopolitan
Циничная жизнь Бэзила Захароффа — «оружейного барона» и серого кардинала Циничная жизнь Бэзила Захароффа — «оружейного барона» и серого кардинала

По сравнению с этим человеком Гитлер был нежным собирателем цветочков!

Maxim
Nissan Qashqai заходит на третий круг Nissan Qashqai заходит на третий круг

Твоя будущая бывшая машина уже здесь

Maxim
Ученые насчитали в Австралии двести миллионов инвазивных сазанов Ученые насчитали в Австралии двести миллионов инвазивных сазанов

Это первая оценка численности инвазивного вида рыб на континенте

N+1
Дмитрий Глуховский: «Все жалобы на жопу Янковского исходят от мужчин» Дмитрий Глуховский: «Все жалобы на жопу Янковского исходят от мужчин»

Дмитрий Глуховский о русской хтони, смерти литературы и простодушии зрителей

GQ
Найти себя Найти себя

Что думают о желании подогнать себя под стандарт те, кого мы считаем идеалом

Cosmopolitan
Так и ослепнуть можно! Ошибки в макияже, которые вредят глазам, — мнение врача Так и ослепнуть можно! Ошибки в макияже, которые вредят глазам, — мнение врача

Макияж — неотъемлемая часть жизни современной женщины

Cosmopolitan
Заложница собственного отца и жертва поп-культуры? Что мы узнали из документального фильма The New York Times о Бритни Спирс Заложница собственного отца и жертва поп-культуры? Что мы узнали из документального фильма The New York Times о Бритни Спирс

Как развивалась карьера Бритни Спирс почему она 13 лет не принимает решения сама

Esquire
«Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов» «Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов»

Отрывок из книги Пола Нёрса «Что такое жизнь?»

N+1
Эскалация конфликта: как холодные гражданские войны становятся «горячими» Эскалация конфликта: как холодные гражданские войны становятся «горячими»

Почему роль насилия в российской политике возрастает

Forbes
Как перестать бояться технологий и начать учить Как перестать бояться технологий и начать учить

Внедрение в образование цифровой платформы никого не оставляет равнодушным

Наука
Как выжить в офисе, если офис дома? Как выжить в офисе, если офис дома?

Что необходимо, чтобы создать гармоничное пространство для жизни и работы?

Домашний Очаг
Чего не хватает российским учёным, чтобы делать прорывные проекты, и почему они вынуждены уходить в коммерцию Чего не хватает российским учёным, чтобы делать прорывные проекты, и почему они вынуждены уходить в коммерцию

Почему в России трудно продавать наукоёмкий продукт

Inc.
Стилист назвала 5 главных ошибок с оверсайз-пиджаками — никогда так не делай! Стилист назвала 5 главных ошибок с оверсайз-пиджаками — никогда так не делай!

Вещи оверсайз сегодня на пике популярности

Cosmopolitan
А.I. желает познакомиться А.I. желает познакомиться

Какими будут приложения для знакомств в 2046 году?

Elle
Почему блогеры и инфлюенсеры могут и вдохновлять, и раздражать? Почему блогеры и инфлюенсеры могут и вдохновлять, и раздражать?

Почему красивые картинки и успешные люди вызывают у нас и вдохновение и злость?

Psychologies
Драма-принц Драма-принц

Встречайте: Джош О’Коннор

Glamour
Открыть в приложении