Все об аэродинамике самого перспективного оружия

Популярная механикаHi-Tech

Убийственный «гипер»

Гиперзвуковое оружие относится к числу авангардных военных разработок, которые ведут сегодня крупнейшие мировые игроки. В этой статье речь пойдет не о конкретных образцах вооружений, а о том, что представляет собой гиперзвуковой полет с физической точки зрения.

Текст: Николай Цыгикало

0:00 /
1423.091

Над привычной синевой неба уходит в высоту особая часть атмосферы. Стратосфера. Сфера слоев в переводе с греческого. С нижней границы около 12–15 км стратосфера поднимается намного выше, до 55 км, заканчиваясь стратопаузой. Вертикальных течений воздуха здесь нет. Поэтому первый, нижний десяток километров стратосфера одинаковая и очень холодная. Мороз – минус 56,5 ˚С. Из-за холода скорость звука лишь 295 м/с. С высотой температура растет, и чем выше, тем теплее – до нуля градусов вверху стратосферы. С температурой и скорость звука возвращается к привычным 330 м/с. Плотность воздуха меняется сильнее: в нижней части стратосферы составляет четверть от плотности на уровне моря, вверху уменьшается в две тысячи раз от плотности на уровне моря, всего полграмма воздуха в кубометре. На этой сцене в основном и разворачиваются картины гиперзвукового планирования.

Для летящего с гиперзвуковой скоростью тела эти спокойные разреженные слои станут гиперзвуковым потоком. Однако просто в воздухе не происходит никаких явлений, хоть он проносится рядом с летящим телом, хоть неподвижен для аэростата. Палитра гиперзвуковых эффектов и особенностей расцветает на обтекании потоком тела. На их контакте. Поэтому будем говорить точнее. Не о гиперзвуковом потоке, не о гиперзвуковой скорости, не о гиперзвуковом движении. А о гиперзвуковом обтекании.

Вскрытие молекулы

Вспомним, гиперзвуковым считают движение/течение со скоростями в пять и более раз быстрее звука. Какого звука? Местного, в зоне течения, ибо скорость звука разная. Кратность звуку выражает число Маха. В дозвуковом потоке значение М меньше единицы, в сверхзвуковом – больше единицы. Для пяти местных скоростей звука число Маха равно 5, или М = 5. Отличается ли физически гиперзвуковое обтекание от сверхзвукового? Есть ли реальная разница за границей 5 М? Почему именно пятикратная скорость звука выбрана границей, а не 3 или 10? На сверхзвуке тоже есть сжатие потока и нагрев на много сотен градусов.

Физический смысл в выборе 5 М есть. Примерно с этой скорости обтекание начинает проникать в молекулу газа. И открывает этим ящик гиперзвуковой Пандоры. И на дозвуке, и на сверхзвуке молекулы газа летят простыми точками, без строения и особенностей формы. Их движение просто и прямолинейно до и после столкновений. Энергия ударов не вызывает отклика в самих молекулах, всего лишь точках.

При скоростях 5 М и выше обтекание обретает энергию, позволяющую влезть внутрь молекулы и дополнить ее простое движение новыми формами. Молекулы главных газов в составе воздуха, азота и кислорода, состоят из двух атомов, соединенных связью. Выше 5 М энергия обтекания заставляет резонировать ударам саму молекулу. Два ее атома начинают колебаться, сближаясь и отдаляясь. Так молекула принимает и запасает энергию своего колебательного движения. Это увеличивает теплоемкость газа, состоящего из таких колеблющихся молекул. И добавляет ему энергию в такой форме. У трехатомных молекул СО2 колеблется также угол между атомами кислорода. Энергия колебаний молекул оценивается колебательной температурой. Помимо нее молекулы получают накачку энергией вращения. Поток молекул превращается в массы крохотных спиннеров, волчков, маховичков. Энергия вращения описывается вращательной температурой газа.

Угол конуса маха в зависимости от значения числа М

Красочное богатство

Накачка молекул новыми движениями ослабляет в них связи между атомами. Молекулы начинают рваться на части. Происходит диссоциация газов. Освободившиеся одиночные атомы разных газов соединяются, образуя новые вещества. Это химические реакции. В зоне гиперзвукового обтекания идут множественные химические реакции, с разным поглощением и выделением энергии, балансами реагирующих веществ. Образование соединений одновременно сопровождается их распадом. Баланс возникновений и распадов меняется от многих параметров: температуры, давления, концентраций и др. Добавляет жару химическим процессам и материал корпуса, выступая катализатором реакций. Катализ меняет поглощение и выделение энергии, температуру, состав и свойства потока, параметры обтекания.

С дальнейшим ростом скорости от атомов отрываются электроны. Происходит ионизация газов, возникает и растет концентрация плазмы. Ионы с оторванным электроном и свободные электроны вступают в химические реакции, еще больше усложняя картину.

Ударно-волновой конус Маха вокруг летящего объекта становится похожим на рукав. При скорости М 10 угол конуса Маха всего 11,5 градуса. При М 20 угол конуса составляет 5,7 градуса. Это означает, что ударная волна конуса ложится на поверхность аппарата, плотно облегая корпус, как перчатка руку. Она сливается с вязким пограничным слоем газа, увеличивая его энергию. На поверхности тела образуется ударный пограничный слой-волна, питаемый огромной энергией набегающего потока. Здесь возникают и растут высокочастотные акустические волны неустойчивости, снова усложняя картину. Чтобы описать огромное количество химических реакций и физических процессов, протекающих в вязком ударном слое раскаленного газа, потребуются сотни различных переменных, характерных чисел и весьма сложных моделей происходящего. Газ уже не идеальный и не равновесный. Базовые уравнения перестают работать. Возникает плотный яркий кисель из огромного множества явлений, мгновенных, высокотемпературных и энергичных. Красочное богатство гиперзвуковой картины разительно отличается от простого разогрева сверхзвуковым сжатием.

Ударное сжатие

Гиперзвуковым планером назовем летящее с гиперзвуковой скоростью тело, создающее аэродинамическую подъемную силу как основу формирования своего пути. Тело без двигателя. Только гравитация и среда делят между собой вектор его скорости. Гиперзвуковым планером может быть боевой блок межконтинентальной баллистической ракеты. Разгонная ракета может создаваться и специально для гиперзвукового планера. Дальность связки «ракета + планер» разнится в широких пределах, складываемых из баллистической дальности ракеты плюс дальность гиперзвукового полета планера.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Лебедь» возвращается «Лебедь» возвращается

Ту-160 сегодня готовится ко второй жизни

Популярная механика
10 невероятных изобретений древних греков 10 невероятных изобретений древних греков

Что первым приходит на ум, когда речь заходит о древней Греции?

Популярная механика
Короли неба Короли неба

Реактивный моделизм не зря называют королевским видом спорта

Популярная механика
«Девушку с жемчужной сережкой» нарисовали наностолбиками с изменяемой яркостью «Девушку с жемчужной сережкой» нарисовали наностолбиками с изменяемой яркостью

Физики научились работать со светотенью при рисовании с помощью наноструктур

N+1
Микробы от похмелья Микробы от похмелья

Бактерии, которые способны утилизировать алкогольный токсин в кишечнике

Популярная механика
Кредиты под 365% годовых: как ростовщики ломают жизни заемщикам Кредиты под 365% годовых: как ростовщики ломают жизни заемщикам

Недобросовестные коллекторы кажутся источником зла, но только на первый взгляд

Forbes
5 невероятных проектов для борьбы с потеплением 5 невероятных проектов для борьбы с потеплением

Как люди собираются противостоять глобальному потеплению

Популярная механика
Операция «Преемник» по-римски Операция «Преемник» по-римски

Октавиан установил новые правила передачи власти

Дилетант
«Слон» на трансзвуке «Слон» на трансзвуке

Грузовая авиация работала, спасая мировую экономику

Популярная механика
Яблочная диета Яблочная диета

Яблочный рацион – отличный способ похудеть и запастись витаминами

Лиза
Радио против видео Радио против видео

Автоматическая посадка крылатого летательного аппарата давно уже не фантастика

Популярная механика
Как правильно хвастаться на работе: уроки от писательницы и PR-специалиста Мередит Файнман Как правильно хвастаться на работе: уроки от писательницы и PR-специалиста Мередит Файнман

Простые стратегии и приемы, которые помогут развить ваш личный бренд

Forbes
Последний из динозавров Последний из динозавров

Суперкары Lamborghini Huracan Evo должны жить на идеальных гоночных трассах

Популярная механика
Вредефорт – крупнейший метеоритный кратер Земли Вредефорт – крупнейший метеоритный кратер Земли

Диаметр кратера Вредефорт составляет почти 300 километров

National Geographic
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
«Быть реалистом — трудная задача» «Быть реалистом — трудная задача»

Писатель Алексей Иванов собрал в книгу разговоры с читателями

Огонёк
Верхом на вихре Верхом на вихре

Возможное будущее гражданской авиации

Популярная механика
19 умных слов, которые на самом деле означают сущую чепуху 19 умных слов, которые на самом деле означают сущую чепуху

Немного об истинных значениях научных терминов

Maxim
Человек, который придумывает будущее Человек, который придумывает будущее

Компания с российскими корнями разрабатывает уникальные технологии для авто

Популярная механика
Двадцать лет в аду. История трех сестер, сумевших выжить в доме матери-убийцы Двадцать лет в аду. История трех сестер, сумевших выжить в доме матери-убийцы

Сестры Кнотек жили в страхе почти 20 лет

Forbes
Миссия подводного робота Миссия подводного робота

Беспилотник опускается на дно Марианской впадины

Популярная механика
Зэки, мерзлота и тотемные животные. Отрывок из нового романа Алексея Поляринова «РИФ» Зэки, мерзлота и тотемные животные. Отрывок из нового романа Алексея Поляринова «РИФ»

Фрагмент из новой работы Алексея Поляринова о вечной войне поколений

СНОБ
Полярник на Луне Полярник на Луне

Российские ученые готовят новый поход в суровые края близ полюса... лунного

Популярная механика
10 мифов о пышных женщинах 10 мифов о пышных женщинах

Общество до сих пор смотрит на лишний вес под влиянием стереотипов

Psychologies
Эльф из Санкт-Петербурга Эльф из Санкт-Петербурга

Как Роман Любимцев из Санкт-Петербурга перевернул мир кайтбординга

Популярная механика
Джентльмен-драйвер Джентльмен-драйвер

Интервью с бизнесменом, который выступает в Российской серии кольцевых гонок

Robb Report
За урожаем из глубин За урожаем из глубин

На разных верфях страны бум рыбопромыслового судостроения

Популярная механика
Икигай Икигай

Японские секреты долгой и счастливой жизни

kiozk originals
Меняю автомат на беспилотник Меняю автомат на беспилотник

Первое боестолкновение, где решающую роль сыграли беспилотные дроны

Популярная механика

Рассуждаем о максимализме в моде и вспоминаем самых отчаянных фэшиониста

Cosmopolitan
Открыть в приложении