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

Одно спасительное имя Одно спасительное имя

Как называют лекарства?

Популярная механика
250 американских собак получили бронежилеты благодаря ребенку 250 американских собак получили бронежилеты благодаря ребенку

Иногда любовь к животным и детская находчивость способны на многое

Популярная механика
Человек, который придумывает будущее Человек, который придумывает будущее

Компания с российскими корнями разрабатывает уникальные технологии для авто

Популярная механика
Живая лаборатория Европы. Как устроен город, у которого есть план до 2070 года Живая лаборатория Европы. Как устроен город, у которого есть план до 2070 года

Как Копенгагену удается строить идеальную экосистему

Forbes
Техника бокса Техника бокса

Современный спорт – это технологии

Популярная механика
Как не раствориться в партнере и сохранить личные границы Как не раствориться в партнере и сохранить личные границы

Какие риски несет такое представление о гармонии в отношениях

Psychologies
Античный герой Античный герой

Кого люди будут вспоминать через столетия?

Популярная механика
Австралийцы предложили перерабатывать окурки в кирпичи Австралийцы предложили перерабатывать окурки в кирпичи

Ученые создали кирпичи с добавлением окурков

N+1
Созвездие рекламы Созвездие рекламы

Почему разработчики ионных двигателей занялись проектом космической рекламы

Популярная механика
Монстры, белое зло и расизм: каким получился сериал «Страна Лавкрафта» Монстры, белое зло и расизм: каким получился сериал «Страна Лавкрафта»

Сериал «Страна Лавкрафта» — хоррор про расизм и монстров

Esquire
Выстрел через континент Выстрел через континент

Испытательный полигон «Кура»: записки очевидца

Популярная механика
Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать

Прививки — большое зло или наше спасение?

Популярная механика
Меняю автомат на беспилотник Меняю автомат на беспилотник

Первое боестолкновение, где решающую роль сыграли беспилотные дроны

Популярная механика
Курс на Луну Курс на Луну

Космическая гонка и необычное путешествие «Аполлона-11»

kiozk originals
Ниже солнца, выше воды Ниже солнца, выше воды

Беспилотное судно с почти неограниченным запасом хода

Популярная механика
«Если бы речь шла только об отрицании, пароход современности далеко бы не уплыл» «Если бы речь шла только об отрицании, пароход современности далеко бы не уплыл»

Андрей Хржановский о Шостаковиче, Мейерхольде, Гоголе, «Дау» и других не таких

Weekend
Поля морей Поля морей

Новые технологии сельского хозяйства: фермы в океане

Популярная механика
Важные годы Важные годы

Почему не стоит откладывать жизнь на потом

kiozk originals
Эльф из Санкт-Петербурга Эльф из Санкт-Петербурга

Как Роман Любимцев из Санкт-Петербурга перевернул мир кайтбординга

Популярная механика
Не только море Не только море

Бархатный сезон — лучшее время, чтобы взглянуть на Крым с другого ракурса

Лиза
Маломощные реакторы спасут мирный атом Маломощные реакторы спасут мирный атом

Репутация – главная проблема атомной энергетики в XXI веке

Популярная механика
«И удача, и поражение не вечны. Футбол хорошо этому учит». Как футболистка из Новой Зеландии стала вице-президентом adidas «И удача, и поражение не вечны. Футбол хорошо этому учит». Как футболистка из Новой Зеландии стала вице-президентом adidas

Сколько получают футболистки и почему бренды готовы вкладывать в женский футбол

Forbes
Гора серебряная Гора серебряная

Как добывают благородные металлы

Популярная механика
10 самых смертоносных растений мира 10 самых смертоносных растений мира

Растения, от которых не ждешь подвоха

Популярная механика
Компьютерный мозг Компьютерный мозг

Как работают настоящие нейроморфные микросхемы

Популярная механика
Почему у дятла не болит голова? Почему у дятла не болит голова?

Как дятлы долбят по дереву со скоростью 7 метров в секунду без травм

Наука и жизнь
Нечеловеческий секс Нечеловеческий секс

Почему мы все еще занимаемся сексом по старинке – с живыми людьми?

Популярная механика
«Долой Баффета, теперь я ваш папа!»: почему финтех-стартап Robinhood может стать дорогой в никуда для миллионов инвесторов «Долой Баффета, теперь я ваш папа!»: почему финтех-стартап Robinhood может стать дорогой в никуда для миллионов инвесторов

Стартап Robinhood уже привлек на фондовый рынок миллионы непрофессионалов

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

Как люди собираются противостоять глобальному потеплению

Популярная механика
10 терминов, неуместное использование которых расстраивает ученых 10 терминов, неуместное использование которых расстраивает ученых

Научные термины, которые мы не всегда уместно используем

Популярная механика
Открыть в приложении