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

Верхом на вихре Верхом на вихре

Возможное будущее гражданской авиации

Популярная механика
Сооснователь сервиса «Самокат» — о «темных магазинах» и семейном бюджете Сооснователь сервиса «Самокат» — о «темных магазинах» и семейном бюджете

Вячеслав Бочаров об особенностях сервиса «Самокат» и его отличиях от конкурентов

РБК
Алгоритмические войны Алгоритмические войны

Как битвы будущего видят по ту сторону океана

Популярная механика
Редкие львинохвостые макаки приспособились жить рядом с людьми Редкие львинохвостые макаки приспособились жить рядом с людьми

Макаки научились находить пищу в человеческих поселениях и стали больше отдыхать

N+1
Чем мы дышим Чем мы дышим

Как оцифровать весь воздух в городах

Популярная механика
Не мешайте себе жить: 7 типичных моделей саморазрушительного поведения Не мешайте себе жить: 7 типичных моделей саморазрушительного поведения

Как перестать мешать самому обрести любовь или достичь успеха?

Forbes
Криптовалюты. Поколение второе Криптовалюты. Поколение второе

От «цифрового золота» к полноценным деньгам

Популярная механика
За гранью слов За гранью слов

О чем думают и что чувствуют животные

kiozk originals
Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск

Чего же Маск хотел в сфере нейроинтерфейсов, что сделал и что сможет сделать

Популярная механика
Американская мечта Американская мечта

Сказочный остров или США? Неинкорпорированная территория Америки

Вокруг света
Радио против видео Радио против видео

Автоматическая посадка крылатого летательного аппарата давно уже не фантастика

Популярная механика
Восемь правил эффективности Восемь правил эффективности

Умнее, быстрее, лучше: секреты продуктивности в жизни и бизнесе

kiozk originals
Немирное «земледелие» Немирное «земледелие»

Как работает система залпового минирования

Популярная механика
НЕ НОЙ НЕ НОЙ

Только тот, кто перестал сетовать на судьбу, может стать богатым

kiozk originals
Турецкий марш Турецкий марш

Военная мощь Турции неожиданно оказалась предметом большого интереса

Популярная механика
Медовый месяц по-королевски: где отдыхают после свадьбы принцы и принцессы Медовый месяц по-королевски: где отдыхают после свадьбы принцы и принцессы

Куда ездили отдыхать самые известные пары?

Cosmopolitan
Меняю автомат на беспилотник Меняю автомат на беспилотник

Первое боестолкновение, где решающую роль сыграли беспилотные дроны

Популярная механика
Небесный диск из Небры «омолодили» на тысячу лет Небесный диск из Небры «омолодили» на тысячу лет

Его создателями небесного диска, вероятно, были кельтские мастера

N+1
За кулисами пуска За кулисами пуска

Старт космической ракеты – зрелище без преувеличения грандиозное

Популярная механика
Spotify против гигантов: придумать бесплатный сервис, за который будут платить Spotify против гигантов: придумать бесплатный сервис, за который будут платить

Отрывок из книги о том, как Spotify изменил музыкальную индустрию

Inc.
Армия 2020 Армия 2020

Ежегодная выставка «Армия» в парке «Патриот»

Популярная механика
Почему Кремль боится санкций США и не боится Евросоюза Почему Кремль боится санкций США и не боится Евросоюза

Неуступчивость в отношениях с Евросоюзом работает

СНОБ
Тайна форсажного пламени Тайна форсажного пламени

Что такое форсаж?

Популярная механика
Постановка на учет по беременности: сроки, важные документы и правила Постановка на учет по беременности: сроки, важные документы и правила

Каждая женщина, узнав, что скоро станет мамой, задается вопросами

9 месяцев
За урожаем из глубин За урожаем из глубин

На разных верфях страны бум рыбопромыслового судостроения

Популярная механика
5 лучших способов похудеть, кроме посещения тренажерного зала 5 лучших способов похудеть, кроме посещения тренажерного зала

Можно прийти в форму и без абонемента

Playboy
5 невероятных проектов для борьбы с потеплением 5 невероятных проектов для борьбы с потеплением

Как люди собираются противостоять глобальному потеплению

Популярная механика
Астрономы объявили о начале нового солнечного цикла Астрономы объявили о начале нового солнечного цикла

Начался 25-ый цикл солнечной активности

N+1
Эльф из Санкт-Петербурга Эльф из Санкт-Петербурга

Как Роман Любимцев из Санкт-Петербурга перевернул мир кайтбординга

Популярная механика
Balenciaga Balenciaga

Самая мрачная коллекция Balenciaga от Демны Гвасалии

Weekend
Открыть в приложении