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

Ниже солнца, выше воды Ниже солнца, выше воды

Беспилотное судно с почти неограниченным запасом хода

Популярная механика
В 62 года я вышла замуж и уехала в другую страну В 62 года я вышла замуж и уехала в другую страну

Наша героиня доказывает, что жизнь можно изменить и в шестьдесят

Psychologies
Щит от гиперзвука Щит от гиперзвука

Они быстро настигнут врага в любой точке мира

Популярная механика
Микроулитки на страже экологии Микроулитки на страже экологии

Биологическое разнообразие Арктики изучено крайне неравномерно

Наука и жизнь
К баллистическому будущему К баллистическому будущему

Траектория движения космических аппаратов строится с учетом разных соображений

Популярная механика
Как заниматься сексом с маленьким членом: лучшие позы и основные нюансы Как заниматься сексом с маленьким членом: лучшие позы и основные нюансы

Коллекция сексуальных поз, подходящих для пениса меньше среднего размера

Playboy
В ожидании космического отпуска В ожидании космического отпуска

Самые реальные варианты космического туризма

Популярная механика
Эффект Люцифера Эффект Люцифера

Почему хорошие люди превращаются в злодеев

kiozk originals
На понятном языке На понятном языке

Как появился Kotlin, и правда ли, что он идеален для программирования

Популярная механика
Мегалодон оказался коренастым и большеголовым Мегалодон оказался коренастым и большеголовым

Палеонтологи впервые с высокой точностью реконструировали пропорции мегалодона

N+1
Немного другие миры Джолана ван дер Виля Немного другие миры Джолана ван дер Виля

Художник из Амстердама играет с силами природы

Популярная механика
Пограничное состояние: 7 маршрутов, куда Родина-мать зовет Пограничное состояние: 7 маршрутов, куда Родина-мать зовет

Наверстаем пробелы в курсе отечественной географии

Playboy
Чем мы дышим Чем мы дышим

Как оцифровать весь воздух в городах

Популярная механика
Лигнин защитил древесину от статического электричества Лигнин защитил древесину от статического электричества

Древесина не электризуется благодаря лигнину

N+1
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Мама+баба Мама+баба

Что делать, если ребенок растет без отца, в окружении женщин?

Лиза
Триумф 57 мм Триумф 57 мм

Новое слово в разработке российских бронемашин

Популярная механика
Одна вокруг света. Золотой треугольник, где сходятся границы трех стран — Мьянмы, Тайланда и Лаоса Одна вокруг света. Золотой треугольник, где сходятся границы трех стран — Мьянмы, Тайланда и Лаоса

87-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Компьютерный мозг Компьютерный мозг

Как работают настоящие нейроморфные микросхемы

Популярная механика
Френдзона Френдзона

Журналист Латиф Нассер попытался разобраться в судьбе другого Латифа Нассера

Esquire
Виртуальный секс Виртуальный секс

«Популярная механика» протестировала первую в мире виртуальную любовницу

Популярная механика
Якутское Якутское

В кино произошел разворот в сторону то ли большой России, то ли подлинного наива

Esquire
Эльф из Санкт-Петербурга Эльф из Санкт-Петербурга

Как Роман Любимцев из Санкт-Петербурга перевернул мир кайтбординга

Популярная механика
5 безумных идей для защиты природы, которые сработали 5 безумных идей для защиты природы, которые сработали

Как обманывать львов, браконьеров и саму Землю

Maxim
Тайна форсажного пламени Тайна форсажного пламени

Что такое форсаж?

Популярная механика
Его партнёр умер вскоре после запуска бизнеса. Он продолжил в одиночку и построил одну из самых успешных компаний США Его партнёр умер вскоре после запуска бизнеса. Он продолжил в одиночку и построил одну из самых успешных компаний США

Бизнес-карьера Джоша Шустера началась с череды несчастий и испытаний

Inc.
Нечеловеческий секс Нечеловеческий секс

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

Популярная механика
Когда кажется, что выхода нет: 7 советов, как вытащить свои отношения из кризиса Когда кажется, что выхода нет: 7 советов, как вытащить свои отношения из кризиса

Лучшие способы сформировать крепкий и экологичный союз

Cosmopolitan
Миры миров Миры миров

Как стать президентом в мультивселенной

Популярная механика
Магическая уборка Магическая уборка

Японское искусство наведения порядка дома и в жизни

kiozk originals
Открыть в приложении