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

Билет в один конец Билет в один конец

Илон Маск мечтает умереть на Марсе, и он по-своему прав

Популярная механика
Я не боюсь сказать Я не боюсь сказать

Телеведущая Сати Спивакова написала книгу почти обо всем, что думает

Tatler
...Бегом под парусом ...Бегом под парусом

Кубок «Америки» – 2021 и гонка бегущих яхт

Популярная механика
Хилиазм: хеппи-энд истории Хилиазм: хеппи-энд истории

Что такое хилиазм и чем он отличается от докетизма

Weekend
За кулисами пуска За кулисами пуска

Старт космической ракеты – зрелище без преувеличения грандиозное

Популярная механика
Основательница компании «Cозвездие PI» — о лидерстве на бьюти-рынке Основательница компании «Cозвездие PI» — о лидерстве на бьюти-рынке

Как за пять лет сделать из стартапа успешный бьюти-бизнес

РБК
«Слон» на трансзвуке «Слон» на трансзвуке

Грузовая авиация работала, спасая мировую экономику

Популярная механика
7 ранних признаков проблем с печенью, вызванных алкоголем 7 ранних признаков проблем с печенью, вызванных алкоголем

Заболевания печени — это совсем не шутки

Playboy
Космические тоннели Космические тоннели

Существуют ли кротовые норы?

Популярная механика
Как выбрать свитер Как выбрать свитер

Свитер — это обычно то, что первым выпадает на тебя из шкафа

Maxim
Виртуальный секс Виртуальный секс

«Популярная механика» протестировала первую в мире виртуальную любовницу

Популярная механика
9 актеров, которые изменились до неузнаваемости в предстоящих фильмах 9 актеров, которые изменились до неузнаваемости в предстоящих фильмах

Загримировали так, что не то что родная мать, даже родной продюсер не узнает!

Maxim
Армия 2020 Армия 2020

Ежегодная выставка «Армия» в парке «Патриот»

Популярная механика
В ожидании зла. Зачем смотреть фильм «Ассистентка», отсылающий к скандалам #metoo В ожидании зла. Зачем смотреть фильм «Ассистентка», отсылающий к скандалам #metoo

Почему стоит посмотреть минималистичную картину, отсылающую к скандалам #metoo

Forbes
Миры миров Миры миров

Как стать президентом в мультивселенной

Популярная механика
Нейросеть заставили «развидеть» самолёты Нейросеть заставили «развидеть» самолёты

Обнаружен способ ввести нейросеть в заблуждение путём замены камуфляжа

Популярная механика
Чем мы дышим Чем мы дышим

Как оцифровать весь воздух в городах

Популярная механика
Рынок или ателье: как образуются огромные черные дыры Рынок или ателье: как образуются огромные черные дыры

Слияние черных дыр с сильно отличающейся массой идет по особому сценарию

Популярная механика
Ниже солнца, выше воды Ниже солнца, выше воды

Беспилотное судно с почти неограниченным запасом хода

Популярная механика
Как совместить приятное с полезным: ароматерапия для души и тела Как совместить приятное с полезным: ароматерапия для души и тела

С чем едят, то есть нюхают, ароматерапию?

Cosmopolitan
Одно спасительное имя Одно спасительное имя

Как называют лекарства?

Популярная механика
Спроси маму Спроси маму

Как общаться с клиентами и подтвердить правоту своей бизнес-идеи?

kiozk originals
Знай наших Знай наших

Уникальные достижения отечественных ученых

Популярная механика
Куда уходит бодрость... Куда уходит бодрость...

Почему же мы все – или почти все – чувствуем себя такими изможденными?

Psychologies
Черные грибы Чернобыля Черные грибы Чернобыля

Жизнь способна укротить даже смертоносную радиацию и использовать ее во благо

Популярная механика
Сбил зеркало плечом и не заметил. Нелепая причина для лишения прав Сбил зеркало плечом и не заметил. Нелепая причина для лишения прав

Мотоциклист сбил плечом зеркало у «Газели» и на год лишился прав

РБК
Турецкий марш Турецкий марш

Военная мощь Турции неожиданно оказалась предметом большого интереса

Популярная механика
Чертоги чужого разума. Почему все обсуждают новый фильм Чарли Кауфмана «Думаю, как все закончить» Чертоги чужого разума. Почему все обсуждают новый фильм Чарли Кауфмана «Думаю, как все закончить»

«Думаю, как все закончить» — фильм о сумерках рассудка от Чарли Кауфмана

Forbes
Немного другие миры Джолана ван дер Виля Немного другие миры Джолана ван дер Виля

Художник из Амстердама играет с силами природы

Популярная механика
Мастер перевоплощений: такой разный Джуд Лоу Мастер перевоплощений: такой разный Джуд Лоу

От обаятельного вдовца до Папы Римского: Джуду Лоу подвластна любая роль

Cosmopolitan
Открыть в приложении