Что такое гиперзвуковая скорость. Гиперзвуковая скорость. Отрывок, характеризующий Гиперзвуковая скорость

10-07-2015, 11:34

Что стоит за слухами о создании в России нового сверхмощного оружия

Военно-аналитический центр Janes Information Group (США) опубликовал доклад об успешном испытании Россией нового гиперзвукового летательного аппарата Ю-71 (Yu-71 в англоязычной транскрипции).

Испытания, по версии американцев, были проведены еще в феврале 2015 года. Пуск якобы состоялся с полигона Домбаровский под Оренбургом. Их военные аналитики сообщают совершенно секретные и леденящие кровь простого обывателя сведения.

Сообщается, что Ю-71 - часть российского секретного проекта 4202. За океаном определили, что скорость нашей гиперзвуковой ракеты - 11 200 км/час. Маневрирующий с такой скоростью объект невозможно сбить - система ПРО бессильна против таких скоростей. К тому же Ю-71 может нести ядерный заряд.

По мнению американских аналитиков, скоро Россия получит возможность наносить высокоточные удары по выбранным целям. При этом даже самые защищенные из них будут гарантированно поражаться одной ракетой. В США предполагают, что уже через 5 лет развертывание группировки российских гиперзвуковых ракет начнется под тем же Оренбургом, в дислоцированном там Домбаровском полку РВСН, а всего с 2020 по 2025 год в строй введут 24 боевых аппарата, созданных на базе Ю-71. Также из документа следует, что к этому времени Россия создаст новую тяжелую межконтинентальную баллистическую ракету "Сармат", способную нести Ю-71.

Утверждается, что Москве гиперзвуковое оружие необходимо, чтобы получить рычаги воздействия в ходе переговоров с Вашингтоном и ограничить эффективность американской системы ПРО.

До обнародования этой сенсации сообщалось, что военные КНР тоже провели (причем очередное) успешное испытание ударного гиперзвукового летательного аппарата WU-14, способного прорывать систему ПРО США и наносить ядерный удар.

В общем, обложили американцев со всех сторон: с Запада - Китай, с Востока и Севера - Россия. И жаждут они одного - порвать американскую и европейскую ПРО, как Тузик грелку, чтобы стереть с лица земли все стратегические объекты Пентагона. Логика этого ужаса незамысловата: Вашингтон, дай новые миллиарды на разработку собственных гиперзвуковых ракет, а то ведь останемся неприкрытыми, как библейский Адам.

В США работы над гиперзвуковыми ракетами ведутся с не меньшей, а то и большей интенсивностью, чем в России и Китае, вместе взятых. И с очень хорошим финансовым обеспечением.

По всей видимости, каких-то прорывных успехов достичь не удалось, а выделенные из бюджета миллиарды уже потрачены. Как быть? Надо запустить страшилку и обеспечить себе безграничное финансирование. Что и было сделано.

Сама по себе идея создания ракет, способных летать в 5-7, а то и в десятки раз быстрее скорости звука, всегда привлекала военных. Такие аппараты обладают столь мощной кинетической энергией, что способны причинить любому объекту противника самый серьезный урон и без боевой части. А уж с ядерной боеголовкой...

В принципе разогнать боеголовку, выведенную на околоземную орбиту, до гиперзвука и направить ее вниз не очень сложно. Проблема в точном наведении, так как управлять объектом, мчащимся со скоростью свыше 10 000 км/час, пока невозможно. В том числе и потому, что при резком изменении прямолинейной траектории полета боевая часть может просто разрушиться из-за огромных перегрузок.

А построить работоспособный аппарат, способный летать с гиперзвуковой скоростью, да еще и маневрировать в атмосфере, неимоверно сложно.

Дело не только в перегрузках, но и в особенностях горения топлива, огромном воздушном трении о поверхность летящего аппарата, скачках давления на различных поверхностях гиперзвуковой крылатой ракеты.

Тем не менее работы в этом направлении ведутся на протяжении уже нескольких десятков лет.

Ближе всех к практическому созданию крылатой гиперзвуковой ракеты подошли в СССР. Гиперзвуковой экспериментальный летательный аппарат (ГЭЛА), или Х-90, был создан в МКБ "Радуга" в конце 1980-х. После развала СССР проект в 1992 году закрыли. Позже аппарат ГЭЛА несколько раз показали на авиакосмических салонах МАКС в Жуковском.

По конструкции это была крылатая ракета с раскладным треугольным крылом и фюзеляжем, почти полностью отданным под прямоточный двигатель. При стартовой массе 15 тонн ракета Х-90, как утверждали ее разработчики, могла разгоняться до скорости не менее М=4,5 - это минимальное значение гиперзвука. По достоверным, но так официально и не подтвержденным данным, ракету Х-90 в конце 1980-х удачно пустили с самолета-носителя, и она достигла расчетной скорости. Тем не менее в дальнейшем этот проект финансировать не стали и саму тему гиперзвука закрыли более чем на 10 лет.

За океаном создание гиперзвуковых летательных аппаратов шло параллельно с работами в Советском Союзе. Правда, без особых успехов. Прорывным стал проект Boeing X-43. Внешне американский летательный аппарат чем-то напоминал закрытый советский Х-90. В 2001 году этот гиперзвуковой беспилотник совершил свой первый полет, впрочем, неудачный. Второй полет, как считается, прошел штатно. Сверхскорости не достигли, но отработали систему управления. А вот уже на третьем пуске, в ноябре 2004-го, беспилотник Х-43 установил рекорд, разогнавшись до скорости 11 200 км/ч. Это выше, чем достигал наш Х-90.

Развитием экспериментального проекта X-43 в США стала ракета X-51. Она еще больше походит на наш так и не реализованный проект ГЭЛА. Утверждается, что именно Х-51 может стать одним из основных вооружений американской стратегической авиации. По официальным данным, ракета X-51 должна иметь скорость полета порядка М=6-7, что близко к давним показателям нашей Х-90.

Такие скорости, как считают эксперты, достаточны для возможного использования ракет в системе быстрого глобального удара. В 2010 году состоялся первый пуск и полет X-51.

6-го февраля в 1950-м во время очередного испытания советский реактивный истребитель МиГ-17 в горизонтальном полете превысил скорость звука, разогнавшись почти до 1070-и км/ч. Это превратило его в первый сверхзвуковой самолет серийного производства. Разработчики Микоян и Гуревич явно гордились своим детищем.

Для боевых полетов МиГ-17 считался околозвучным, так как его крейсерская скорость не превышала 861 км/ч. Но это не помешало истребителю стать одним из самых распространенных в мире. В разное время он состоял на вооружении Германии, Китая, Кореи, Польши, Пакистана и десятков других стран. Этот монстр принял участие даже в боевых действиях во Вьетнамской войне.

МиГ-17 - далеко не единственный представитель жанра сверхзвуковых самолетов. Мы расскажем еще о десятке воздушных лайнеров, которые тоже опередили звуковую волну и стали известными во всем мире.

Bell X-1

ВВС США специально оснастили Bell X-1 ракетным двигателем, так как хотели с его помощью изучить проблемы сверхзвукового полёта. 14-го октября в 1947 аппарат разогнался до 1541 км/ч (число Маха 1.26), преодолел заданный барьер и превратился в звезду поднебесья. Сегодня модель-рекордсменка покоится в Смитсоновском музее в Штатах.

Источник: NASA

North American X-15

North American X-15 тоже оснащен ракетными двигателями. Но, в отличие от своего американского коллеги Bell X-1, этот самолет достиг скорости 6167 км/ч (число Маха 5,58), превратившись в первого и на 40 лет единственного в истории человечества (с 1959-го) пилотируемым гиперзвуковым летательным аппаратом, совершавшим суборбитальные пилотируемые космические полёты. С его помощью изучали даже реакцию атмосферы на вход в нее крылатых тел. Всего произведено три единицы ракетопланов типа Х-15.

Источник: NASA

Lockheed SR-71 Blackbird

Грех не применять сверхзвуковые самолеты в военных целях. Поэтому ВВС США спроектировали Lockheed SR-71 Blackbird - стратегический разведчик с максимальной скоростью 3700 км/ч (число Маха 3,5). Главные достоинства - быстрый разгон и высокая маневренность, позволившая ему уклоняться от ракет. Также SR-71 был первым самолётом, который оснастили технологиями снижения радиолокационной заметности.

Построено всего 32 единицы, 12 из которых разбились. В 1998-м снят с вооружения.

Источник: af.mil

МиГ-25

Не можем не вспомнить отечественный МиГ-25 - сверхзвуковой высотный истребитель-перехватчик 3-го поколения с максимальной скоростью 3000 км/ч (число Маха 2,83). Самолет был настолько крутым, что на него позарились даже японцы. Поэтому 6-го сентября в 1976-м советскому летчику Виктору Беленко пришлось угнать МиГ-25. После этого в течение многих лет во многих частях Союза самолеты начали заправлять не до конца. Цель - чтобы они не долетали до ближайшего иностранного аэропорта.

Источник: Алексей Бельтюков

МиГ-31

Советские ученые не прекращали трудиться на воздушное благо отечества. Поэтому в 1968-м началась проектировка МиГ-31. А 16-го сентября в 1975-м он впервые побывал в небе. Этот двухместный сверхзвуковой всепогодный истребитель-перехватчик дальнего радиуса действия разогнался до скорости 2500 км/ч (число Маха 2,35) и стал первым советским боевым самолётом четвёртого поколения.

МиГ-31 предназначен для перехвата и уничтожения воздушных целей на предельно малых, малых, средних и больших высотах, днём и ночью, в простых и сложных метеоусловиях, при активных и пассивных радиолокационных помехах, а также ложных тепловых целях. Четыре МиГ-31 могут контролировать воздушное пространство протяжённостью до 900 километров. Это не самолет, а гордость Союза, которая до сих пор состоит на вооружении России и Казахстана.

Источник: Виталий Кузьмин

Lockheed/Boeing F-22 Raptor

Самый дорогой сверхзвуковой самолет построили американцы. Они смоделировали многоцелевой истребитель пятого поколения, который стал самым дорогим среди коллег по цеху. Lockheed/Boeing F-22 Raptor на сегодняшний день является единственным состоящим на вооружении истребителем пятого поколения и первым серийным истребителем со сверхзвуковой крейсерской скоростью 1890 км/ч (1,78 Маха). Максимальная скорость 2570 км/ч (2,42 Маха). Его в воздухе до сих пор никто так и не превзошел.

Источник: af.mil

Су-100/Т-4

Су-100/Т-4 («сотка») разрабатывался в качестве истребителя авианосцев. Но инженерам ОКБ Сухого удалось не просто достигнуть поставленной цели, а смоделировать крутой ударно-разведывательный бомбардировщик-ракетоносец, который потом хотели применить даже в качестве пассажирского самолета и разгонщика для авиационно-космической системы Спираль. Максимальная скорость Т-4 - 3200 км/ч (3 Маха).

April 15th, 2017

Как то мы с вами обсуждали довольно скептическое мнение , однако работы эти никто не останавливает и все движутся вперед.

По данным источника в оборонно-промышленном комплексе, новейшая российская гиперзвуковая противокорабельная ракета «Циркон» достигла на испытаниях восьми скоростей звука.

По словам источника, «в ходе испытаний ракеты было подтверждено, что ее скорость на марше достигает 8 Махов», передает ТАСС. Кроме того, как отметил источник, ракеты «Циркон» могут запускаться из универсальных пусковых установок 3С14, которые также используются для ракет «Калибр» и «Оникс».

Дальность стрельбы «Цирконом», согласно открытым данным, составляет около 400 километров. В феврале осведомленный источник сообщал, что гиперзвуковая ракета «Циркон», предназначенная для подводных лодок типа «Ясень» и «Хаски», впервые может быть запущена с морского носителя весной этого года. В апреле 2016 года источник в российском оборонно-промышленном комплексе отмечал, что «Циркон» должен быть запущен в серийное производство в 2018 году.

Американская X-51AWaverider при последнем тестовом полете показала скорость 4,8 МАХ.

А теперь немного подробнее про "Циркон".

Число «Маха» или «М» определяет отношение локальной скорости потока к скорости звука - 331 м/с. Превысить скорость звука в шесть-восемь раз - одна из глобальных задач развития современного авиа и ракетостроения. С появлением гиперзвуковых летательных аппаратов конструкторы связывают прорыв в новое, 6-е поколение авиационной техники. С военной точки зрения гиперзвуковые летательные аппараты крайне эффективное ударное средство. Гиперзвуковой полет неразличим для современных средств радиолокации. Не существует и даже не предвидится создание средств перехвата подобных ракет.

Глобальное разоружение

В СССР это поняли еще в 60-х годах прошлого века, когда проектировали расположенную под Москвой систему НПРО с ракетами А-135. Система перехвата входящих в атмосферу на скорости 5-10 км в секунду ядерных боеголовок решена на комплексе весьма своеобразно. Если электроника все равно их не видит, то и ракету надо нацеливать не «в копеечку», а «в белый свет», видимо, решили конструкторы и установили на противоракете ядерную боевую часть. То есть, зная о ядерном нападении, советская противоракета выстреливалась в район предполагаемого нахождения вражеских ядерных блоков с тем, чтобы уничтожить их с помощью встречного ядерного взрыва в атмосфере. Система эта, напомним, до сих пор стоит на вооружении. И считается единственной эффективной системой НПРО в мире.

«Чтобы обнаружить атакующие цели, навести на них противоракеты и сделать встречный залп, есть несколько десятков минут, - рассказал телеканалу «Звезда» Владимир Дворкин, до 2001 года возглавлявший 4-й ЦНИИ Минобороны (институт, занимавшийся проблемами развития и применения ядерного оружия). - Американская морская ракета «Трайдент» летит до нас 15-20 минут, сухопутный «Минитмен-3» - 25-35 минут».

Это снижает вероятность «разоружения противника», говорит эксперт, у нас всегда остается время на то, чтобы подготовиться, встретить эти ракеты и хотя бы большую часть из них уничтожить. Следовательно, сохраняется возможность ответного ядерного удара по территории США. Поэтому в Америке сегодня разрабатывается новая концепция ядерной войны. В рамках программы «молниеносного глобального удара» Вашингтон планирует получить оружие, способное пролететь расстояние от США до России за вдвое, а то и втрое меньшее время, для того чтобы у противника просто не осталось ни малейших шансов отреагировать. Достичь этого предполагается за счет создания гиперзвуковых летательных аппаратов.

В отличие от баллистических ракет, гиперзвуковые будут стартовать с бомбардировщиков, а также наземных пусковых Mk-41. Это должно сделать невозможным обнаружение пуска существующими космическими и наземными средствами предупреждения о ракетном нападении. А значит, создаст иллюзию возможности безнаказанно начать и выиграть ядерную войну. Эта теория очень популярна в экспертном сообществе США.

В итоге только в США различными ведомствами разрабатывается сразу несколько перспективных проектов: X-43A (НАСА), X-51A (ВВС), AHW (Сухопутные войска), ArcLight (DARPA, ВМС), Falcon HTV-2 (DARPA, ВВС). Их появление, по мнению специалистов, позволит создать гиперзвуковые авиационные крылатые ракеты большой дальности, морскую крылатую ракету в противокорабельном и ударном против наземных целей вариантах к 2018-2020 годам, разведывательный самолет - к 2030 году.

Над выходом на гиперзвук бьется Франция. Китай недавно испытал планирующий аппарат WU-14, сумевший достичь гиперзвуковых скоростей. Ну и, конечно, Россия.

Гонка технологий

«Обычно сверхзвуковые крылатые ракеты летят на скорости 2-3 маха, - говорит кандидат физико-математических наук Николай Григорьев. - Мы хотим, чтобы наши аппараты летали со скоростью более 6 махов. При этом этот полет должен быть длительным. Не менее 7-10 минут, за которые аппарат должен самостоятельно развить скорость в более полутора тысяч метров в секунду».

Первый гиперзвуковой аппарат был создан в СССР еще в конце 70-х годов прошлого века. В 1997 году конструкторы дубнинского МКБ «Радуга» впервые показали его на авиасалоне МАКС. Представлен он был как система нового класса - гиперзвуковой экспериментальный летательный аппарат (ГЭЛА) Х-90. На Западе его называли AS-19 Koala. По данным предприятия, ракета летела на дальность до 3 тыс. км. Несла две боеголовки с индивидуальным наведением, способные поразить цели на удалении 100 км от точки разделения. Носителем Х-90 мог стать удлиненный вариант стратегического бомбардировщика Ту-160М.

В начале 90-х годов прошлого века МКБ провело совместную работу с немецкими инженерами по проблеме гиперзвука на базе другой своей ракеты Х-22 «Буря» (по классификации НАТО - AS-4 Kitchen («Кухня»). Эта сверхзвуковая крылата ракета входит в состав штатного вооружения дальнего бомбардировщика Ту-22М3. Может летать на 600 км и нести термоядерную или обычную боевую часть весом в 1 тонну. Ракета предназначена для уничтожения авианосцев США. В ходе эксперимента, при установленных на ракету дополнительных разгонных блоках машину удалось вывести на гиперзвуковой режим полета.

Кроме того, как напоминает Григорьев, в СССР был создан космический корабль многоразового использования «Буран», который при входе в плотные слои атмосферы развивал скорость в 25 махов. Сегодня, по словам эксперта, задача стоит в том, чтобы сделать подобный полет активным, то есть машина должна не просто «планировать», а самостоятельно развивать и поддерживать такую скорость, менять направление полета.

От «Коалы» до «Ярса»

Испытания гиперзвуковых аппаратов - тайна за семью печатями. Судить о том, как обстоят дела с их разработкой, можно только по сообщениям американцев об успехе или неудаче в ходе тех или иных испытательных пусков. Последний такой эксперимент они провели в августе. Пуск ракеты Х-43А был произведен с полигона Кодьяк на Аляске. Ракета разрабатывалась как совместный проект американской армии и лаборатории Sandia National в рамках концепции «Быстрого глобального удара». Ее первое испытание произошло в ноябре 2011 года. Предполагалось, что в ходе нынешних испытаний ракета, набрав скорость около 6,5 тыс. км/час, поразит учебную цель на тихоокеанском атолле Кваджалейн. В итоге аппарат проработал всего 7 секунд перед тем, как сгорел в атмосфере. Тем не менее, в США назвали этот полет успешным - машина продемонстрировала способность набрать требуемое ускорение.

Советская Х-90, о которой хоть что-то доподлинно известно, летала дальше и дольше. Как говорят конструкторы, машина быстро нагревалась от сопротивления воздуха, что разрушало аппарат или приводило в нерабочее состояние механизмы внутри корпуса. Для достижения гиперзвука для прямоточного реактивного ракетного двигателя требовался водород или хотя бы топливо, состоящее в значительной мере из водорода. А это крайне сложно осуществить технически, так как газообразный водород имеет малую плотность. Хранение жидкого водорода создавало другие непреодолимые технические сложности. Ну и, наконец, во время гиперзвукового полета вокруг Х-90 возникало плазменное облако, которое сжигало радиоантенны, что приводило к потере управляемости аппаратом.

Впрочем, эти недостатки в итоге превратили в достоинства. Проблему охлаждения корпуса и водородного топлива решили тем, что в качестве его компонентов стали использовать смесь керосина и воды. Она после нагрева подавалась в специальный каталитический мини-реактор, в котором проходила эндотермическая реакция каталитической конверсии, в результате которой вырабатывалось водородное топливо. Этот процесс приводил к сильному охлаждению корпуса аппарата. Не менее оригинально была решена проблема обгорания радиоантенн, в качестве которых стали использовать само плазменное облако.

При этом плазменное облако позволило аппарату не только двигаться в атмосфере со скоростью 5 км в секунду, но и делать это «ломаными» траекториями. Машина могла резко менять направление полета. Кроме того, плазменное облако еще и создавало эффект невидимости аппарата для радаров. Х-90 не поступила на вооружение, работа над ракетой была приостановлена еще в 1992 году.

Но принципы ее работы очень похожи на описание действий маневрирующих ядерных боеголовок баллистических ракет «Тополь-М», «Ярс» и новой РС-26. Минобороны неоднократно приводило их, как пример преодоления любой системы противоракетной обороны. Маневрирующий блок в любую секунду может «вильнуть», непредсказуемо изменив направление полета, что гарантированно обеспечивает поражение цели. Ни одна система НПРО не способна просчитать такую траекторию и навести на атакующий блок противоракеты.

Боевой «Утконос»

В прошлом году в Минобороны сообщили, что гиперзвуковым оружием будут оснащать, в первую очередь, самолеты дальней авиации. На тот момент ракеты уже существовали, правда, их полет на гиперзвуке продолжался всего несколько секунд. Об этом неоднократно заявлял и вице-премьер Дмитрий Рогозин. Однако каких либо конкретных деталей ни военные, ни вице-премьер, ни представители промышленности не приводили.

О текущих успехах в создании гиперзвуковых летательных аппаратов можно судить только по косвенным признакам. Например, этим летом корпорация «Тактическое ракетное вооружение», Минобороны и Минпромторг отчитались, что согласовали программу создания гиперзвуковых ракетных технологий. В разработку перспективной техники будет вложено более 2 млрд. рублей, а первый аппарат появится не позднее 2020 года. Что это будут за аппараты, какие характеристики будут иметь и для каких целей не объявляется.

О том, что задел, что называется, имеется, можно судить хотя бы по выставке МАКС в подмосковном Жуковском. В 2011 году Центральный институт авиационного моторостроения из подмосковного Лыткарино демонстрировал целый ряд перспективных гиперзвуковых аппаратов. На стенде института были выставлены несколько макетов перспективных ракет, больше похожих не на классические сигарообразные ракеты, а на шедевр скульптора авангардиста, взявшего в прообраз своего творения австралийского зверька утконоса - расплющенный лопатовидный «нос» обтекателя, рубленные формы самого корпуса ракет. Тогда представитель института Вячеслав Семенов сообщил, что в 2012 году Минобороны будет представлен полностью годный летный образец гиперзвуковой крылатой ракеты. Об этом же говорил и Борис Обносов. О чем конкретно шла речь - неизвестно. Никаких официальных сообщений о новой ракете в печати не было. Однако неоднократно проскакивало название перспективного комплекса «Циркон».

По косвенным признакам в его основу входит ракета, созданная на базе сверхзвуковой противокорабельной ракеты «Яхонт» и ее российско-индийского аналога «БраМос». Индийская BrahMos Aerospace Limited неоднократно анонсировала работы по созданию гиперзвукового варианта своей продукции. Демонстрировал ее макет все тот же «Утконос».

В будущем ракеты "Циркон" установят на новейшие российские многоцелевые атомные подводные лодки пятого поколения "Хаски", которые сейчас находятся в разработке в конструкторском бюро "Малахит". Ракетный крейсер «Адмирал Нахимов», проходящий ремонт с модернизацией в Северодвинске, к 2018 году оснастят универсальным корабельным стрельбовым комплексом, позволяющим применять ракеты «Калибр», «Оникс» и перспективные гиперзвуковые ПКР «Циркон».

источники

Общие сведения

Полет на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полета и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью).

Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М. Также данная скорость характеризуется тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель («ПВРД ») с дозвуковым сгоранием топлива («СПВРД ») становится бесполезным из-за чрезвычайно высокого трения, которое возникает при торможении проходящего воздуха в двигателе этого типа. Таким образом, в гиперзвуковом диапазоне скоростей для продолжения полета возможно использование только ракетного двигателя или гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) со сверхзвуковым сгоранием топлива.

Характеристики потока

В то время как определение гиперзвукового потока (ГП) достаточно спорно по причине отсутствия четкой границы между сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками, ГП может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже не могут быть проигнорированы при рассмотрении, а именно:

Тонкий слой ударной волны

По мере увеличения скорости и соответствующих чисел Маха, плотность позади ударной волны (УВ) также увеличивается, что соответствует уменьшению объема сзади от УВ благодаря сохранению массы. Поэтому, слой ударной волны, то есть объем между аппаратом и УВ становится тонким при высоких числах Маха, создавая тонкий пограничный слой (ПС) вокруг аппарата.

Образование вязких ударных слоев

Часть большой кинетической энергии, заключенной в воздушном потоке, при М > 3 (вязкое течение) преобразуется во внутреннюю энергию за счет вязкого взаимодействия. Увеличение внутренней энергии реализуется в росте температуры . Так как градиент давления, направленный по нормали к потоку в пределах пограничного слоя, приблизительно равен нулю, существенное увеличение температуры при больших числах Маха приводит к уменьшению плотности. Таким образом, ПС на поверхности аппарата растет и при больших числах Маха сливается с тонким слоем ударной волны вблизи носовой части, образуя вязкий ударный слой.

Появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам

Высокотемпературный поток

Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата (точке или области торможения) вызывает нагревание газа до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата. В этих условиях могут быть существенны процессы конвекции и радиационного теплообмена .

Параметры подобия

Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия , которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.

Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.

Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением , температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость , то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена , не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж /кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).

Идеальный газ

В данном случае, проходящий воздушный поток может рассматриваться как поток идеального газа. ГП в данном режиме все еще зависит от чисел Маха и моделирование руководствуется температурными инвариантами , а не адиабатической стенкой , что имеет место при ме́ньших скоростях. Нижняя граница этой области соответствует скоростям около 5 М, где СПВРД с дозвуковым сгоранием становятся неэффективными, и верхняя граница соответствует скоростям в районе 10-12 М.

Идеальный газ с двумя температурами

Является частью случая режима потока идеального газа с большими значениями скорости, в котором проходящий воздушный поток может рассматриваться химически идеальным, но вибрационная температура и вращательная температура газа должны рассматриваться отдельно, что приводит к двум отдельным температурным моделям. Это имеет особое значение при проектировании сверхзвуковых сопел , где вибрационное охлаждение из-за возбуждения молекул становится важным.

Диссоциированный газ

Режим доминирования лучевого переноса

На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости. Моделирование газа в данном случае подразделяется на два случая:

• оптически тонкий - в данном случае предполагается, что газ не перепоглощает излучение, которое приходит от других его частей или выбранных единиц объема;
• оптически толстый - где учитывается поглощение излучения плазмой, которое потом переизлучается в том числе и на тело аппарата.

Моделирование оптически толстых газов является сложной задачей, так как из-за вычисления радиационного переноса в каждой точке потока объем вычислений растет экспоненциально вместе с ростом количества рассматриваемых точек.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Ги́перзвуковая ско́рость (ГС) в аэродинамике - скорости, которые значительно превосходят скорость звука в атмосфере .

Начиная с 1970-х годов, понятие обычно относят к сверхзвуковым скоростям выше 5 чисел Маха (М).

Общие сведения

Полет на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полета и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью).

Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М. Также данная скорость характеризуется тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель («ПВРД ») с дозвуковым сгоранием топлива («СПВРД ») становится бесполезным из-за чрезвычайно высокого трения, которое возникает при торможении проходящего воздуха в двигателе этого типа. Таким образом, в гиперзвуковом диапазоне скоростей для продолжения полета возможно использование только ракетного двигателя или гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) со сверхзвуковым сгоранием топлива.

Характеристики потока

В то время как определение гиперзвукового потока (ГП) достаточно спорно по причине отсутствия четкой границы между сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками, ГП может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже не могут быть проигнорированы при рассмотрении, а именно:

Тонкий слой ударной волны

По мере увеличения скорости и соответствующих чисел Маха, плотность позади ударной волны (УВ) также увеличивается, что соответствует уменьшению объема сзади от УВ благодаря сохранению массы. Поэтому, слой ударной волны, то есть объем между аппаратом и УВ становится тонким при высоких числах Маха, создавая тонкий пограничный слой (ПС) вокруг аппарата.

Образование вязких ударных слоев

Часть большой кинетической энергии, заключенной в воздушном потоке, при М > 3 (вязкое течение) преобразуется во внутреннюю энергию за счет вязкого взаимодействия. Увеличение внутренней энергии реализуется в росте температуры . Так как градиент давления, направленный по нормали к потоку в пределах пограничного слоя, приблизительно равен нулю, существенное увеличение температуры при больших числах Маха приводит к уменьшению плотности. Таким образом, ПС на поверхности аппарата растет и при больших числах Маха сливается с тонким слоем ударной волны вблизи носовой части, образуя вязкий ударный слой .

Появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам

Высокотемпературный поток

Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата (точке или области торможения) вызывает нагревание газа до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата. В этих условиях могут быть существенны процессы конвекции и радиационного теплообмена .

Параметры подобия

Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия , которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.

Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.

Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением , температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость , то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена , не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж /кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).

Идеальный газ

В данном случае, проходящий воздушный поток может рассматриваться как поток идеального газа. ГП в данном режиме все еще зависит от чисел Маха и моделирование руководствуется температурными инвариантами , а не адиабатической стенкой , что имеет место при ме́ньших скоростях. Нижняя граница этой области соответствует скоростям около 5 М, где СПВРД с дозвуковым сгоранием становятся неэффективными, и верхняя граница соответствует скоростям в районе 10-12 М.

Идеальный газ с двумя температурами

Является частью случая режима потока идеального газа с большими значениями скорости, в котором проходящий воздушный поток может рассматриваться химически идеальным, но вибрационная температура и вращательная температура газа должны рассматриваться отдельно, что приводит к двум отдельным температурным моделям. Это имеет особое значение при проектировании сверхзвуковых сопел , где вибрационное охлаждение из-за возбуждения молекул становится важным.

Диссоциированный газ

Режим доминирования лучевого переноса

На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости. Моделирование газа в данном случае подразделяется на два случая:

• оптически тонкий - в данном случае предполагается, что газ не перепоглощает излучение, которое приходит от других его частей или выбранных единиц объема;
• оптически толстый - где учитывается поглощение излучения плазмой, которое потом переизлучается в том числе и на тело аппарата.

Моделирование оптически толстых газов является сложной задачей, так как из-за вычисления радиационного переноса в каждой точке потока объем вычислений растет экспоненциально вместе с ростом количества рассматриваемых точек.

См. также

Напишите отзыв о статье "Гиперзвуковая скорость"

Примечания

Ссылки

• Anderson John. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition. - AIAA Education Series, 2006. - ISBN 1563477807 .
• (англ.) .
• (англ.) .
• (англ.) .

Отрывок, характеризующий Гиперзвуковая скорость

Приехав в Петербург, Пьер никого не известил о своем приезде, никуда не выезжал, и стал целые дни проводить за чтением Фомы Кемпийского, книги, которая неизвестно кем была доставлена ему. Одно и всё одно понимал Пьер, читая эту книгу; он понимал неизведанное еще им наслаждение верить в возможность достижения совершенства и в возможность братской и деятельной любви между людьми, открытую ему Осипом Алексеевичем. Через неделю после его приезда молодой польский граф Вилларский, которого Пьер поверхностно знал по петербургскому свету, вошел вечером в его комнату с тем официальным и торжественным видом, с которым входил к нему секундант Долохова и, затворив за собой дверь и убедившись, что в комнате никого кроме Пьера не было, обратился к нему:
– Я приехал к вам с поручением и предложением, граф, – сказал он ему, не садясь. – Особа, очень высоко поставленная в нашем братстве, ходатайствовала о том, чтобы вы были приняты в братство ранее срока, и предложила мне быть вашим поручителем. Я за священный долг почитаю исполнение воли этого лица. Желаете ли вы вступить за моим поручительством в братство свободных каменьщиков?
Холодный и строгий тон человека, которого Пьер видел почти всегда на балах с любезною улыбкою, в обществе самых блестящих женщин, поразил Пьера.
– Да, я желаю, – сказал Пьер.
Вилларский наклонил голову. – Еще один вопрос, граф, сказал он, на который я вас не как будущего масона, но как честного человека (galant homme) прошу со всею искренностью отвечать мне: отреклись ли вы от своих прежних убеждений, верите ли вы в Бога?
Пьер задумался. – Да… да, я верю в Бога, – сказал он.
– В таком случае… – начал Вилларский, но Пьер перебил его. – Да, я верю в Бога, – сказал он еще раз.
– В таком случае мы можем ехать, – сказал Вилларский. – Карета моя к вашим услугам.
Всю дорогу Вилларский молчал. На вопросы Пьера, что ему нужно делать и как отвечать, Вилларский сказал только, что братья, более его достойные, испытают его, и что Пьеру больше ничего не нужно, как говорить правду.
Въехав в ворота большого дома, где было помещение ложи, и пройдя по темной лестнице, они вошли в освещенную, небольшую прихожую, где без помощи прислуги, сняли шубы. Из передней они прошли в другую комнату. Какой то человек в странном одеянии показался у двери. Вилларский, выйдя к нему навстречу, что то тихо сказал ему по французски и подошел к небольшому шкафу, в котором Пьер заметил невиданные им одеяния. Взяв из шкафа платок, Вилларский наложил его на глаза Пьеру и завязал узлом сзади, больно захватив в узел его волоса. Потом он пригнул его к себе, поцеловал и, взяв за руку, повел куда то. Пьеру было больно от притянутых узлом волос, он морщился от боли и улыбался от стыда чего то. Огромная фигура его с опущенными руками, с сморщенной и улыбающейся физиономией, неверными робкими шагами подвигалась за Вилларским.
Проведя его шагов десять, Вилларский остановился.
– Что бы ни случилось с вами, – сказал он, – вы должны с мужеством переносить всё, ежели вы твердо решились вступить в наше братство. (Пьер утвердительно отвечал наклонением головы.) Когда вы услышите стук в двери, вы развяжете себе глаза, – прибавил Вилларский; – желаю вам мужества и успеха. И, пожав руку Пьеру, Вилларский вышел.
Оставшись один, Пьер продолжал всё так же улыбаться. Раза два он пожимал плечами, подносил руку к платку, как бы желая снять его, и опять опускал ее. Пять минут, которые он пробыл с связанными глазами, показались ему часом. Руки его отекли, ноги подкашивались; ему казалось, что он устал. Он испытывал самые сложные и разнообразные чувства. Ему было и страшно того, что с ним случится, и еще более страшно того, как бы ему не выказать страха. Ему было любопытно узнать, что будет с ним, что откроется ему; но более всего ему было радостно, что наступила минута, когда он наконец вступит на тот путь обновления и деятельно добродетельной жизни, о котором он мечтал со времени своей встречи с Осипом Алексеевичем. В дверь послышались сильные удары. Пьер снял повязку и оглянулся вокруг себя. В комнате было черно – темно: только в одном месте горела лампада, в чем то белом. Пьер подошел ближе и увидал, что лампада стояла на черном столе, на котором лежала одна раскрытая книга. Книга была Евангелие; то белое, в чем горела лампада, был человечий череп с своими дырами и зубами. Прочтя первые слова Евангелия: «Вначале бе слово и слово бе к Богу», Пьер обошел стол и увидал большой, наполненный чем то и открытый ящик. Это был гроб с костями. Его нисколько не удивило то, что он увидал. Надеясь вступить в совершенно новую жизнь, совершенно отличную от прежней, он ожидал всего необыкновенного, еще более необыкновенного чем то, что он видел. Череп, гроб, Евангелие – ему казалось, что он ожидал всего этого, ожидал еще большего. Стараясь вызвать в себе чувство умиленья, он смотрел вокруг себя. – «Бог, смерть, любовь, братство людей», – говорил он себе, связывая с этими словами смутные, но радостные представления чего то. Дверь отворилась, и кто то вошел.
При слабом свете, к которому однако уже успел Пьер приглядеться, вошел невысокий человек. Видимо с света войдя в темноту, человек этот остановился; потом осторожными шагами он подвинулся к столу и положил на него небольшие, закрытые кожаными перчатками, руки.
Невысокий человек этот был одет в белый, кожаный фартук, прикрывавший его грудь и часть ног, на шее было надето что то вроде ожерелья, и из за ожерелья выступал высокий, белый жабо, окаймлявший его продолговатое лицо, освещенное снизу.
– Для чего вы пришли сюда? – спросил вошедший, по шороху, сделанному Пьером, обращаясь в его сторону. – Для чего вы, неверующий в истины света и не видящий света, для чего вы пришли сюда, чего хотите вы от нас? Премудрости, добродетели, просвещения?
В ту минуту как дверь отворилась и вошел неизвестный человек, Пьер испытал чувство страха и благоговения, подобное тому, которое он в детстве испытывал на исповеди: он почувствовал себя с глазу на глаз с совершенно чужим по условиям жизни и с близким, по братству людей, человеком. Пьер с захватывающим дыханье биением сердца подвинулся к ритору (так назывался в масонстве брат, приготовляющий ищущего к вступлению в братство). Пьер, подойдя ближе, узнал в риторе знакомого человека, Смольянинова, но ему оскорбительно было думать, что вошедший был знакомый человек: вошедший был только брат и добродетельный наставник. Пьер долго не мог выговорить слова, так что ритор должен был повторить свой вопрос.
– Да, я… я… хочу обновления, – с трудом выговорил Пьер.
– Хорошо, – сказал Смольянинов, и тотчас же продолжал: – Имеете ли вы понятие о средствах, которыми наш святой орден поможет вам в достижении вашей цели?… – сказал ритор спокойно и быстро.
– Я… надеюсь… руководства… помощи… в обновлении, – сказал Пьер с дрожанием голоса и с затруднением в речи, происходящим и от волнения, и от непривычки говорить по русски об отвлеченных предметах.
– Какое понятие вы имеете о франк масонстве?
– Я подразумеваю, что франк масонство есть fraterienité [братство]; и равенство людей с добродетельными целями, – сказал Пьер, стыдясь по мере того, как он говорил, несоответственности своих слов с торжественностью минуты. Я подразумеваю…
– Хорошо, – сказал ритор поспешно, видимо вполне удовлетворенный этим ответом. – Искали ли вы средств к достижению своей цели в религии?
– Нет, я считал ее несправедливою, и не следовал ей, – сказал Пьер так тихо, что ритор не расслышал его и спросил, что он говорит. – Я был атеистом, – отвечал Пьер.
– Вы ищете истины для того, чтобы следовать в жизни ее законам; следовательно, вы ищете премудрости и добродетели, не так ли? – сказал ритор после минутного молчания.
– Да, да, – подтвердил Пьер.
Ритор прокашлялся, сложил на груди руки в перчатках и начал говорить:
– Теперь я должен открыть вам главную цель нашего ордена, – сказал он, – и ежели цель эта совпадает с вашею, то вы с пользою вступите в наше братство. Первая главнейшая цель и купно основание нашего ордена, на котором он утвержден, и которого никакая сила человеческая не может низвергнуть, есть сохранение и предание потомству некоего важного таинства… от самых древнейших веков и даже от первого человека до нас дошедшего, от которого таинства, может быть, зависит судьба рода человеческого. Но так как сие таинство такого свойства, что никто не может его знать и им пользоваться, если долговременным и прилежным очищением самого себя не приуготовлен, то не всяк может надеяться скоро обрести его. Поэтому мы имеем вторую цель, которая состоит в том, чтобы приуготовлять наших членов, сколько возможно, исправлять их сердце, очищать и просвещать их разум теми средствами, которые нам преданием открыты от мужей, потрудившихся в искании сего таинства, и тем учинять их способными к восприятию оного. Очищая и исправляя наших членов, мы стараемся в третьих исправлять и весь человеческий род, предлагая ему в членах наших пример благочестия и добродетели, и тем стараемся всеми силами противоборствовать злу, царствующему в мире. Подумайте об этом, и я опять приду к вам, – сказал он и вышел из комнаты.